Wirkung elementarer Oberflächenmodifikationen am glatten Verdampferrohr im Hinblick auf die Berechnung von Hochleistungsrohren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es ist gelungen, die lokale Überhitzung ∆T der Oberfläche des Versuchsrohrs bis in den Bereich von Milli-Kelvin aufzulösen (A) und dabei eine systematische Variation von ∆T mit dem Azimutwinkel φ zu dokumentieren, bei der sich für mittlere Wärmestromdichten und mittlere reduzierte Siededrücke – was gleichbedeutend ist mit einer mittleren Blasenbelegungsdichte der Heizfläche – ein Minimum an der Rohrunterseite ausbildet, das auf den guten Wärmeübergang beim Anwachsen der Blasen und ihre längere Verweildauer als an der Oberseite sowie den (ebenso) intensiven Wärmeübergang bei ihrem Hochgleiten zurückgeführt werden kann. Gleichzeitig wurde der Einfluss des Rohrdurchmessers, der in der Anfangsphase des Projekts an Stahlrohren gefunden wurde und sich vom (internationalen) Stand des Wissens drastisch unterschied, in ähnlicher Weise auch bei Kupferrohren festgestellt (B). Durch zwei Arten künstlich auf der Rohroberfläche angebrachter Makrostrukturen mit unterschiedlichen Formeigenschaften konnte die Überhitzung ∆T verringert, bzw. der Wärmeübergang erhöht werden, und zwar deutlich stärker, wenn die Makrostruktur Vertiefungen enthielt, deren Form ein Festhalten von Dampfresten nach der Blasenablösung begünstigte (C). Die Blasenuntersuchungen lieferten eine grosse statistische Schwankungsbreite charakteristischer Blasenparameter und zeigten u.a., dass beim selben Siedezustand deutlich unterschiedliche Blasenpopulationen auftreten können, aber zu fast gleichem Wärmeübergang führen (D). Schliesslich wurde an den hochgleitenden Blasen ein gleich guter Wärmeübergang wie an den aktiven Blasenkeimstellen gefunden, solange Kontakt mit der überhitzten Grenzschicht an der Rohroberfläche besteht (E). Die grössten Defizite in der Vorausberechnung des Wärmeübergangs beim Blasensieden reiner Stoffe bestehen noch in der genauen Kenntnis der Einflüsse von Rauhigkeit und Benetzungseigenschaften der Heizwand-Oberfläche, wobei das Wissen über die Letzteren besonders mangelhaft erscheint, vor Allem hinsichtlich ihrer Abhängigkeit vom Siededruck bzw. der Temperatur. Es ist zu erwarten, dass Fortschritte auf diesem Gebiet auch die noch bestehenden Unklarheiten im Einfluss des Wandmaterials bei Metall-Legierungen aus Komponenten mit stark unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit aufzuklären helfen. Die Ergebnisse sind bereits in die Neufassung der 2. Auflage des VDI-Wärmeatlas in englischer Sprache eingeflossen, die im Sommer 2010 erschienen ist; dasselbe wird bei der darauf folgenden deutschen Neufassung geschehen (= 11. deutsche Auflage). Die neuen Erkenntnisse über den Einfluss von Rohrdurchmesser, Wandmaterial, Oberflächen-Rauhigkeit und der an der Oberfläche horizontaler Verdampferrohre hochgleitenden Blasen können bei der Aufstellung neuer Berechnungsmethoden für den Wärmeübergang beim Sieden und bei der Konzeption neuer Oberflächen- Konfigurationen von Hochleistungs-Verdampferrohren hilfreich sein; für Letzteres speziell auch die Erkenntnisse über die Wirkung von künstlich aufgebrachten Makro-Vertiefungen in der Rohroberfläche mit Form-Eigenschaften, die ein Festhalten von Dampfresten nach dem Ablösen der Blasen begünstigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2000. Pool boiling heat transfer on horizontal steel tubes with different diameters. Multiphase Science and Technol., Vol.12, Nos.3 & 4, 31-45
Kaupmann, P., Gorenflo, D., Luke, A.
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2004. Bubble formation with pool boiling on tubes with or without basic surface modifications for enhancement. Heat Fluid Flow 25, 288-297
Gorenflo, D., Danger, E., Luke, A., Kotthoff, S., Chandra, U., Ranganayakulu, C.
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2004. Wärmeübergang und Blasenbildung beim Sieden. DKV-Forschungsbericht Nr. 70, Diss. Univ. Paderborn
Danger, E.
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2006. Heat transfer and bubble formation in pool boiling: effect of basic surface modifications for heat transfer enhancement. Int. J. Thermal Sciences 45, 217-236
Kotthoff, S., Gorenflo, D., Danger, E., Luke, A.
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2006. Joint research program „Thermo- and Fluiddynamics in Boiling“; objectives of the program and cooperation of the partners. Int. J. Thermal Sciences 45, 205-208
Gorenflo, D.
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2009. Heat transfer and bubble formation on horizontal copper tubes with different diameters and roughness structures. Heat Mass Transfer 45, 893-908
Kotthoff, S., Gorenflo, D.
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2010. Nucleate pool boiling, film boiling and single-phase free convection at pressures up to the critical state. Part I: Integral heat transfer for horizontal copper cylinders. Int. J. Refrigeration 33, 1229-1250
Gorenflo, D., Baumhögger E., Windmann, Th., Herres, G.
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2010. Nucleate pool boiling, film boiling and single-phase free convection at pressures up to the critical state. Part II: Circumferential variation of the wall superheat for a horizontal 25mm copper cylinder. Int. J. Refrigeration 33, 1251-1263
Gorenflo, D., Baumhögger E., Windmann, Th., Herres, G.
