Wärmeübergang in über den halben Umfang beheizten, mit flüssigem Metall durchströmten Rohren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Wetzel
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 383514397

In der ersten Bewilligungsphase des Projekts wurde der Wärmeübergang in über den halben Umfang beheizten, mit flüssigem Metall durchströmten Rohren detailliert experimentell untersucht und daraus eine breite Datenbasis, u.a. mit thermophysikalischen Stoffwerten und Werten für den lokalen und gemittelten Wärmeübergangskoeffizienten sowie örtlich aufgelösten Temperaturverteilungen in der Rohrwand erarbeitet und publiziert. Es konnte damit gezeigt werden, dass Nusselt-Korrelationen, welche für vollumfänglich beheizte, eingelaufene Flüssigmetall-Rohrströmungen bestimmt wurden, ebenso geeignet sind, umfangsgemittelte Nusselt-Zahlen für halbumfänglich beheizte Flüssigmetall-Rohrströmungen zu berechnen. Die Ergebnisse haben darüber hinaus erstmals experimentell belegt, dass im Fall der Flüssigmetallrohrströmungen größere Temperaturdifferenzen in der Rohrwand zwischen beheizter und unbeheizter Hälfte auftreten, als bei konventionellen Fluiden. Dies lässt sich mit den bei Flüssigmetall erheblich höheren konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten sowie dem größeren Einfluss der halbumfänglichen Beheizung auf die lokalen Nusselt-Zahlen als bei konventionellen Fluiden erklären. Diese Erkenntnis deckt sich mit theoretischen Überlegungen aus der Literatur. Dieser Befund ist von hoher Relevanz für die Auslegung technischer Apparate, da mit diesen höheren Temperaturdifferenzen auch höhere thermomechanische Spannungen einhergehen können. Das ist gerade für die angestrebten Einsatzzwecke mit hohen Wärmestromdichten und Temperaturniveaus ein sehr wichtiger Aspekt. Der Wert der erarbeiteten und publizierten Daten beruht u.a. darauf, dass im Unterschied zu den wenigen bisher vorliegenden Literaturdaten eine genaue Kenntnis der Randbedingungen und Messunsicherheiten vorliegt. So wird eine deutlich zuverlässigere Auslegung technischer Apparate möglich. Darüber hinaus unterstützen die Ergebnisse die Validierung numerischer Simulationen und die Weiterentwicklung von Turbulenzmodellen für Flüssigmetall-Rohrströmungen mit Wärmeübergang. Wesentliche offene, wissenschaftlich wie technisch bedeutsame Punkte, wie die systematische Betrachtung des Einlaufverhaltens, die Frage nach einer zunehmenden Relevanz von freier Auftriebsströmung bzw. Mischkonvektion bei niedrigeren als den bisher betrachteten Re- bzw. Pe-Zahlen und schließlich Untersuchungen, bei denen das Material und die Rohrwandstärke verändert werden, um insbesondere die azimutale Wärmeleitung in der Rohrwand systematisch zu variieren und die Beschreibung der oben beschriebenen Effekte hinsichtlich der ausgeprägten Temperaturdifferenzen zwischen beheizter und unbeheizter Rohrseite bspw. über eine Biot-Zahl zu analysieren und zu beschreiben, sollen in einer beantragten zweiten Förderphase unter Nutzung der in der ersten erarbeiteten und validierten experimentellen Methodik adressiert werden.

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