Strömungssieden in festen Schwämmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Wetzel
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245385027

Im Zuge der Anstrengungen zur Vermeidung des Klimawandels steigen auch die Effizienzanforderungen an Kälteanlagen und deren Komponenten. Im Rahmen des ersten Forschungsvorhabens wurde daher untersucht, inwieweit durch die Integration von metallischen Schwämmen in zylindrischen Rohren der Druckverlust, die Strömungsform und der Wärmeübergang beim Strömungssieden im Sinne einer Effizienzsteigerung von Verdampfern beeinflusst werden können. Die verwendeten metallischen Schwämme - hochporöse, unregelmäßige und allseitig durchströmbare Netzwerkstrukturen - wurden dabei zunächst nicht stoffschlüssig in das Rohr eingebracht. Aufbauend auf den damit erzielten Erkenntnissen werden für das beantragte Nachfolgeprojekt folgende Ziele formuliert:Der Vergleich des gemessenen Druckverlustes der mehrphasigen Strömung mit einer im Rahmen des Projektes entwickelten Kombination des homogenen Modells mit dem Darcy-Ansatz für die einphasige Durchströmung poröser Medien zeigte eine gute Übereinstimmung für Strömungsdampfgehalte unter 50%. Im Nachfolgeprojekt soll u.a. durch die gezielte Variation der Strukturparameter ein validiertes Modell auch für höhere Strömungsdampfgehalte gefunden werden. Mittels eines im Projektverlauf entwickelten Modells zum Wärmetransport lässt sich bereits abschätzen, dass durch die bisher noch nicht erfolgte stoffschlüssige Anbindung der Schwämme eine weitere mögliche Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten um den Faktor 1,3 bis 2,6 zu erwarten ist. Um das Modell und die zugrundeliegenden physikalischen Überlegungen zu vervollständigen und zu validieren, ist jedoch einerseits die Beeinflussung des Wärmeübergangs an der Rohrwand infolge der Strömungsmodifikation durch die Einbauten noch besser zu beschreiben. Zum anderen muss der Wärmeübergang an den Stegen der Struktur bei stoffschlüssiger und damit thermisch gut leitfähiger Verbindung mit der Rohrwand als Funktion der Betriebsparameter und geometrischen Eigenschaften erfasst werden. Im bisherigen Projekt wurde gezeigt, dass die genaue Kenntnis der Strukturparameter spezifische Oberfläche, Porosität und Zelldichte für die Modellierung des Druckverlustes wie auch die des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten am Steg von großer Bedeutung für die Ergebnisgüte ist. Daher sollen die geplanten weiteren Untersuchungen zusätzlich an regelmäßigen, im 3D-Druck herstellbaren Strukturen durchgeführt werden, für welche die gezielte Variation und Erfassung der genannten Parameter methodisch einfacher und qualitativ wesentlich verbessert möglich ist, als für die stochastischen Schwämme.Im Ergebnis werden die im vorherigen Vorhaben entwickelten Modelle zur Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizient und Druckverlust in mit Schwämmen bestückten Verdampferrohren so komplettiert, dass eine rechnerische Beurteilung der Effizienz in Abhängigkeit von gezielt gewählten Geometrieparametern in einem weiten Betriebsbereich möglich wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Benjamin Dietrich