Strömungssieden in festen Schwämmen
Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG Projektes wurde das Strömungssieden von CO2 in horizontalen Verdampferrohren mit verschiedenen periodischen, offenzelligen Einbauten (sog. POCS, hier spezifisch kubische Zellen, Kelvin-Zellen) untersucht. Für beide Strukturen wurden Experimente zur Bestimmung des zweiphasigen Druckverlusts im diabaten und adiabaten Zustand durchgeführt. Weiterhin erfolgte eine umfangsaufgelöste Bestimmung des Wärmeübergangs an der Rohrwand sowie eine optische Charakterisierung der vorherrschenden Strömungsformen auf Basis von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurde ein neues Druckverlustmodell entwickelt. Das Modell basiert auf dem einphasigen Druckerlustmodell periodischer, offenzelliger Strukturen von Klumpp et al. Durch Erweiterung des Modells auf die Geometrie von Kelvinzellen sowie die Kombination mit einer geeigneten Zweiphasenmethode konnten sämtliche Datenpunkte der Kelvinzellen und der kubischen Zellen mit einem MAPE von 11 % bzw. 14 % beschrieben werden. Folglich wird von einer hohen Belastbarkeit der Korrelation für die Vorausberechnung des Druckverlusts bei der zweiphasigen Durchströmung von POCS mit unterschiedlichen Zellgeometrien ausgegangen. Im zweiten Teil des Projektes wurde der Wärmeübergang beim konvektiven Strömungssieden experimentell bestimmt. Im Anschluss wurde für jeden untersuchten Zelltypen ein separates Modell des konvektiven Strömungssiedens entwickelt. Die Modelle beschreiben die Messdaten der Kelvinzellen mit einem MAPE von 20 % und die der kubischen Zellen mit einem MAPE von 19 %. Anzumerken ist hierbei, dass sich in Übereinstimmung mit festen Schwammstrukturen der Wärmeübergang der oberen Rohrhälfte besser mit dem homogenen Modell und der der unteren Rohrhälfte mit dem Drift-Flux-Modell abbilden lässt. Auch hier zeigt sich eine hohe Belastbarkeit der entwickelten Korrelationen zur Vorausberechnung des konvektiven Wärmeübergangs in POCS bei zweiphasiger Durchströmung. Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen wurde eine Simulationsroutine in der Open-Source-Software OpenFOAM aufgebaut, mit welcher der Wärmedurchgang stoffschlüssig mit der Rohrwand verbundener POCS untersucht wurde. Simulationsstudien mit variierendem Stegdurchmesser bei konstanter Porosität zeigen dabei, dass neben der Anbindungsfläche der Strukturen die Position, in welcher die Einheitszellen an der Rohrwand geschnitten werden, den Wärmedurchgang maßgeblich beeinflussen. Hierbei wird neben einer steigenden Anbindungsfläche der Wärmedurchgang primär durch orthogonal an die Rohrwand angebundene Stege verbessert. Auf Basis aller Simulationsdaten wurde abschließend ein Modell zur Vorausberechnung des Nutzungsgrades (Verhältnis von konjugiertem Wärmtransport zum Wärmeübergang an der POCS-Oberfläche) entwickelt. Das Modell basiert auf dem Rippenwirkungsgrad eines zylinderförmigen Steges und beschreibt die Simulationsdaten mit einem MAPE von 12 % für quadratische Rohrgeometrien und 7 % für runde Rohrgeometrien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Flow-pattern based prediction of flow boiling heat transfer in horizontal tubes with circumferentially varying heat flux. International Journal of Heat and Mass Transfer, 148(2020, 2), 119018.
Weise, Sonja; Dietrich, Benjamin & Wetzel, Thomas
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Influence of porous inserts on flow boiling heat transfer in horizontal tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 171(2021, 6), 121087.
Weise, Sonja; Wetzel, Thomas & Dietrich, Benjamin
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Characterization of Heat Transfer and Pressure Drop during Steady State Flow in Periodic Open Cellular Structures 16th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Online, 08.-10. August 2022 (Presentation)
Dubil, Konrad; Wetzel, Thomas & Dietrich, Benjamin
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Development of a generalized thermal resistance model for the calculation of effective thermal conductivities in periodic open cellular structures International Journal of Heat and Mass Transfer, 183(2022, 2), 122083.
Dubil, Konrad; Wolf, Hannah; Wetzel, Thomas & Dietrich, Benjamin
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Numerical investigations of coupled solid and fluid heat transfer in periodic open cellular structures Annual Meeting on Reaction Engineering and ProcessNet Subject Division Heat and Mass Transfer, Würzburg, 18.-20. July 2022 (Poster)
Dubil, Konrad; Wetzel, Thomas & Dietrich, Benjamin
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HYDRODYNAMICS AND HEAT TRANSPORT IN HIGHLY POROUS OPEN-CELLED STRUCTURES. Proceeding of International Heat Transfer Conference 17 (2023), 14. Begellhouse.
Dietrich, Benjamin
