Untersuchungen zur Verbesserung semi-empirischer Korrelationen für die Beschreibung der Verdampfung und Kondensation zeotroper Gemische
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch das Sieden und Kondensieren von Gasen oder Gasgemischen können hohe Wärmestromdichten bei dem Phasenwechsel des Fluids erzielt werden. Dies wird in diversen energie- und verfahrenstechnischen Prozessen genutzt, unter anderem auch in dem Kaltdampf-Kompressionskreisprozess, der weltweit milliardenfach in Klima- und Kälteanlagen oder Wärmepumpen eingesetzt wird. Für die eingesetzten Arbeitsfluide gewinnen Gemische anstelle der herkömmlichen Reinstoffe zunehmend an Bedeutung, da durch geeignete Kombination der Eigenschaften die strengeren Umweltschutz- und Sicherheitsanforderungen erfüllt werden können. Gleichzeitig werden geeignete Berechnungsgleichungen für die Wärmeübertragung der Gemische in Verdampfern und Kondensatoren der genannten Kreisprozesse benötigt, da das Phasenwechselverhalten der zeotropen Fluidgemische eine erhöhte Komplexität mit sich bringt. Das Gesamtvorhaben zielt darauf ab, die verfügbaren Modellgleichen zur Berechnung des Gemischsiedens und der –kondensation anhand experimenteller Untersuchungen weiterzuentwickeln. Hierzu werden in der ersten Förderphase zwei abgestimmte Versuchsapparaturen konzipiert, von denen eine bei dem Projektpartner LTTT in Bayreuth zur Untersuchung des Gemischsiedens und die zweite in Hannover am IfT für die Gemischkondensation genutzt wird. Weiterhin werden die relevanten Stoffdaten der gewählten Ethanol-Siloxangemische an beiden Standorten durch bestehende Messeinrichtungen vermessen und in Journal-Beiträgen veröffentlicht. Die Stoffdaten sind notwendiger Bestandteil der literaturbekannten Modellansätze und dienen somit Vergleichsrechnungen. Anhand der untersuchten drei Ethanol-Siloxangemische mit variierenden Zusammensetzungen und Betriebsbedingungen können zudem zentrale Einflussgrößen auf den Wärmeübergang beim Gemischsieden und Gemischkondensieren herausgearbeitet werden, die als generalisierte Gemischparameter in die weiterentwickelten Modellansätze implementiert werden. Für das Gemischsieden können mit der neuen Korrelation Wärmeübergangskoeffizienten mit einer Genauigkeit von ca. 12 % berechnet werden. Der Superpositionsansatz für die Gemischkondensation bietet erstmalig eine explizite Berechnungsgleichung für zusammensetzungsabhängige Wärmeübergangskoeffizienten, die mit geringem Rechen- und Stoffdatenaufwand im Mittel eine Abweichung von 10 % gegenüber experimentellen Daten erzielt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Sensitivity of the Non-Equilibrium Approach for Mixture Condensation to Heat and Mass Transfer Correlations and Thermophysical Properties. Journal of Heat Transfer, 143(9).
Zimmermann, Conrad; Dagli, Cagatay Necati; Arnautovic, Zlatan & Kabelac, Stephan
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Isobaric vapor-liquid equilibrium for ethanol/water and binary linear siloxane mixtures at 100 kPa. Fluid Phase Equilibria, 556, 113371.
Arnautovic, Z.; Weith, T.; Heberle, F. & Brüggemann, D.
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Density and Viscosity of Linear Siloxanes and Their Mixtures. Journal of Chemical & Engineering Data, 68(2), 314-329.
Arnautovic, Zlatan; Kutzner, Sebastian; Weith, Theresa; Heberle, Florian & Brüggemann, Dieter
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Measurements of Thermophysical Properties of Ethanol + Hexamethyldisiloxane and Ethanol + Octamethyltrisiloxane Mixtures in the Temperature Range of 293–343 K at 100 kPa. Journal of Chemical & Engineering Data, 68(9), 2223-2237.
Arnautovic, Zlatan; Zimmermann, Conrad; Hamza, Maya; Heberle, Florian; Kabelac, Stephan & Brüggemann, Dieter
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Mixture Condensation of Ethanol/Water and Ethanol/Siloxane in a Vertical Double Pipe. Chemie Ingenieur Technik, 95(5), 724-731.
Zimmermann, Conrad; Lubos, Nico; Dagli, Cagatay Necati & Kabelac, Stephan
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Enhanced heat transfer correlation for nucleate boiling of fluid mixtures. International Journal of Heat and Mass Transfer, 231, 125804.
Arnautovic, Zlatan; Welzl, Matthias; Heberle, Florian & Brüggemann, Dieter
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Experimental Heat Transfer Coefficients for Zeotropic Mixture Condensation of Hexamethyldisiloxane/Octamethyltrisiloxane and Ethanol/Hexamethyldisiloxane. Chemie Ingenieur Technik, 96(8), 1123-1130.
Zimmermann, Conrad; Lubos, Nico & Kabelac, Stephan
