Wärmeübertragung bei der Tropfenkondensation von Fluiden geringer Oberflächenspannung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498053068

Die Kondensation von dampfförmigen Arbeitsfluiden ist Teil einer Vielzahl von technischen Anwendungen wie Kältekreisläufen, Wärmepumpen und Wärme-Kraft-Prozessen. Sie zeichnet sich durch hohe Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) aus, da die freiwerdende Verdampfungsenthalpie bei geringen treibenden Temperaturdifferenzen an das Kühlmedium übertragen werden kann. Während die meist an metallischen Wärmeübertragerwänden zu beobachtende Filmkondensation durch den Wärmeleitwiderstand des Kondensatfilms limitiert ist, führt die Einstellung von Tropfenkondensation (TK) aufgrund der beim Tropfenablauf freigelegten Wandoberflächenbereiche zu deutlich höheren WÜK. Voraussetzung hierfür ist eine ausreichende Reduzierung der Benetzbarkeit der Wärmeübertragerwand mit dem Kondensat durch geeignete Oberflächenmodifikationen. Solche wurden insbesondere im Zusammenspiel mit dem Arbeitsfluid Wasser in den letzten mehr als 90 Jahren ausführlich untersucht. Im Gegensatz dazu sind Arbeiten mit Bezug zur Einstellung von TK von Fluiden geringer Oberflächenspannung eher selten und beinhalten erst seit 2014 Stoffe, die in den genannten Anwendungen als Arbeitsfluide zum Einsatz kommen. Mittlerweile sind mehrere Arten der Oberflächenmodifikation bekannt, welche durch Kombination geringer Oberflächenenergie und geringer Rauigkeit der Kondensationswand zur TK von Fluiden wie Ethanol, n-Hexan oder auch n-Pentan in Abwesenheit von nicht kondensierbaren Gasen führen können. Die hieran vorgenommenen Wärmeübergangsmessungen sind jedoch in den meisten Fällen auf nur geringfügig variierte und oft vage beschriebene Randbedingungen beschränkt. Dies limitiert nicht nur die Vergleichbarkeit der an verschiedenen Oberflächenmodifikationen für das gleiche Fluid gemessenen WÜK, sondern auch eine dezidierte Analyse der Einflussgrößen auf den Wärmeübergang bei TK. Diese Problematik wird im vorliegenden Forschungsvorhaben adressiert. Für ausgewählte Fluide geringer Oberflächenspannung in Kombination mit für die Einstellung von TK etablierten und vielversprechenden Oberflächenmodifikationen sollen systematische Untersuchungen der Benetzungseigenschaften unter kondensationsnahen Randbedingungen sowie Messungen des WÜK durchgeführt werden. Letztere erstrecken sich über einen weiten Bereich von Sättigungstemperaturen und Unterkühlungen bzw. daraus resultierenden Wärmestromdichten und Kondensationsraten. Im Fokus steht dabei, wie der WÜK durch Kondensateigenschaften, wie zum Beispiel Wärmeleitfähigkeit und Dichte, bei unterschiedlichen Benetzungszuständen beeinflusst wird, die bei TK bis hin zum Übergang zur Filmkondensation vorliegen. Die Erkenntnisse sollen für die Weiterentwicklung von bestehenden Wärmeübergangsmodellen speziell für die TK von Fluiden geringer Oberflächenspannung genutzt werden und zu einem verbesserten Verständnis beitragen, wie für diese Kondensationsform ein besonders effektiver Wärmeübergang erzielt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen