Experimentelle Untersuchungen zum Benetzungsverhalten von Rieselfilmen in geneigten Rohren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Groß
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234981391

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde das Filmstabilitäts- und Wärmeübergangsverhalten von geneigten, innenstrukturierten Verdampferrohren untersucht. Als Arbeitsfluid diente Propan (R290), welches als natürliches Kältemittel eingesetzt wird. Propan zeichnet sich im Vergleich zu Wasser durch eine geringe Viskosität und Oberflächenspannung aus, was zu einer guten Benetzung führt. Ein Arbeitsschwerpunkt des Forschungsvorhabens war die Charakterisierung des Einflusses der Innenstruktur auf die Filmstabilität und den Wärmeübergang unter Einfluss der Rohrneigung. Daher wurde eigens eine Versuchsanlage konzipiert, welche (I) einen Austausch der Verdampferrohre, (II) Rohrneigungen im Bereich 0° bis 20°, (III) eine visuelle Auswertung des Fallfilmes auf der Rohrinnenseite gewährleistet. Die sechs untersuchten Versuchsrohre (1x Referenzglattrohr, 1x Rohr mit Längsstruktur, 4x Rohre mit Drallstruktur) sind aus Cu-DHP gefertigt. Die Untersuchungen bestätigen die Eingangshypothese, dass sich eine Strukturierung sowohl positiv auf die Filmstabilität als auch auf den Wärmeübergang auswirkt. Für die Verbesserung der Filmstabilität ist maßgeblich die durch die Drallstruktur induzierte Kraft in Umfangsrichtung verantwortlich. Selbige wirkt sich auch auf die Verbesserung des Wärmeübergangs aus. Weitere Faktoren, die den Wärmeübergang in strukturierten Verdampferrohren verbessern, sind strukturbedingte Turbulenzanfachung und das Auftreten von ”micro regions“. Vereinzelt trat auch Blasensieden auf, was zu einer zusätzlichen Steigerung führte. Im Hinblick auf die Erarbeitung einer Strukturempfehlung für das Erreichen eines hohen Wärmeübergangs sind hohe Kerben (im Forschungsvorhaben: h = 0,4 mm) vorteilhafter. Unter Berücksichtigung einer möglichen Rohrneigung empfiehlt sich des Weiteren ein eher steiler Drallwinkel von 65°. Unter dem Aspekt der Vermeidung eines Filmaufrisses zeigte die Struktur mit einem Drallwinkel von 65° und einer Kerbhöhe von 0,1 mm das beste Ergebnis im Hinblick auf das Zusammenwirken von Wärmeübergang und Filmstabilität, in Form einer Vollbenetzung. Die Wahl der Bezugsfläche auf der Rohrinnenseite hat einen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten. Als Empfehlung aufgrund der Untersuchungen sollte eine Hüllfläche am Kerbgrunddurchmesser gewählt werden, da dieser eine Vergleichbarkeit der strukturierten Verdampferrohre untereinander als auch mit dem Glattrohr gewährleistet. Zusätzlich wurde der Kontaktwinkel von Propan auf verschiedenen Oberflächen untersucht. Anhand der gewonnenen experimentellen Daten wurden verschiedene Berechnungsmethoden zur Umrechnung des statischen in den dynamischen Kontaktwinkel erprobt. Die Modelle Hoffmann-Voinov-Tanner Gesetz, Hydrodynamische Theorie und Molekular-Kinetische Theorie zeigten, dass diese für Propan anwendbar sind. Die Untersuchungen ergaben, dass sowohl der statische als auch der dynamische Kontaktwinkel von Propan kleiner als 10° sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Grundlegende Untersuchungen zum Wirkprinzip von geothermalen Phasenwechselsonden. Dissertation. TU Bergakademie Freiberg, 2014
  Storch, T
  
• Verbesserung der Filmverteilung auf Fallfilmverdampferoberflächen am Beispiel geothermischer Phasenwechselsonden. Dissertation. TU Bergakademie Freiberg, 2014
  Grab, T
  (Siehe online unter https://doi.org/10.2370/OND000000000175)
• Flowing and wetting behaviour of falling liquid films in inclined and internal structured tubes. ASTFE Digital Library 2015, Heat Transfer Enhancement, BegellHouse, 2015
  Eichinger, S., Grab, T., Storch, T., Gotterbarm, A., Gross, U.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1615/TFESC1.hte.012693)
• Wetting behaviour of propane drops on solid materials. ASTFE Digital Library 2015, Multiphase and Phase Change Phenomena, BegellHouse, 2015
  Grab, T., Storch, T., Eichinger, S., Gross, U.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1615/TFESC1.mph.012694)
• Investigations of the spreading of falling liquid films in inclined tubes. Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 119, 2018, pp. 586-600
  Eichinger, S., Storch, T., Grab, T., Gross, U., Fieback, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.142)