Experimentelle und theoretisch/nummerische Untersuchungen an einzelnen Dampfblasen beim Sieden binärer Gemische unter Berücksichtigung der Blasenkoaleszenz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Stephan
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5439793

Blasensieden ist eine der effektivsten Methoden der Wärmeübertragung. Trotz langjährigerForschungen ist ein umfassendes und ausreichendes Verständnis der physikalischenGrundlagen noch nicht gegeben. Neben dem Blasensieden von Reinstoffen findet dasBlasensieden von Gemischen in zahlreichen Prozessen Anwendung (z. B. zur Stofftrennungin der Verfahrens- und Klimatechnik). Zur Auslegung der dafür verwendeten Apparate stehenbisher hauptsächlich empirische Gleichungen mit einem engen Gültigkeitsbereich zurVerfügung. Ziel der Forschung ist durch Simulation und Experiment ein tieferes Verständnisdes Siedeprozesses zu erlangen. Dieses soll eine effiziente Auslegung auf Basis derphysikalischen Grundlagen ermöglichen und die bisher zahlreichen empirischenAnpassungsparameter reduzieren. Im ersten und zweiten Förderabschnitt wurde dazu eineVersuchsanlage aufgebaut mit der an Einzelblasen hoch aufgelöste Messungen desTemperaturfeldes in Flüssigkeit und Dampf sowie an der Heizeroberfläche für Kältemitteldurchgeführt wurden. Des Weiteren konnten erste Messungen des Strömungsfeldes erfolgen.Diese zeitlich und örtlich hoch aufgelösten Messungen ermöglichten eine Charakterisierungder lokalen Transportphänomene sowie einen verrieften Einblick in derenWecheselwirkungen, so dass ein vorläufiges Bild von den Energieübertragungswegengezeichnet werden konnte. Nebeneinander anwachsende und koalierende Blasen zeigten einenbesonders hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Reproduzierbare Blasenkoaleszenzenkonnten jedoch bisher aufgrund des noch nicht ausreichenden Verständnises bezüglich derAktivierung künstlicher Keimstellen nicht realisiert werden. Die numerischen Methodenwurden erheblich weiterentwickelt. Ein numerisches Verfahren, welches die Phasengrenzemittels adaptivem Gitter auflöst, wurde erfolgreich zur Berechnung mehrerer Blasenzykleneingesetzt. Ein weiterer numerischer Ansatz basiert auf der Interface Capturing Methode.Dieser bringt Schwierigkeiten bei der Betrachtung des Wärmetransportes über diePhasengrenze mit sich, ermöglicht aber komplexere Geometrien bezüglich der Blasenformund die Simulation von Blasenkoaleszenzen.Basierend auf den gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnissen sollen im beantragtenFörderungsabschnitt erweiterte Messungen des Wärmeübergangskoeffizienten für das Siedenvon Einzelblasen und Blasenkoaleszenzen durchgeführt werden. Eine systematischeBeurteilung der einzelnen Einflussfaktoren steht im Vordergrund. Die Anwendungverbesserter Messmethoden soll einen detaillierten Einblick in die physikalischen Vorgängegeben. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der erstmaligen Messung der Konzentration imBereich des Blasenfußes für das Sieden von Gemischen. Zur Durchführung des Vorhabensmüssen eine erweiterte Testzelle und neue Heizer konstruiert werden. Die in den letztenJahren verbesserten Methoden im Bereich der Messtechnik und Konstruktion sollen dafürkonsequent verwendet werden. Um einen vollständigen quantitativen Vergleich zwischenExperiment und Numerik zu ermöglichen, soll ein Heizer konstruiert werden, der dieTemperaturen auf der Oberfläche im Bereich der Mikrozonen koalierender Blasen hochaufgelöst erfassen kann. Des Weiteren müssen dazu die numerischen Verfahren in engerAbstimmung zum Experiment weiter verbessert werden. Die Implementierung einerverbesserten adaptiven Gitterauflösung im Bereich der Phasengrenze ist dafür eine primäreAufgabenstellung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen