Wärmeübertragung bei der Kondensation von zeotropen Gemischen an horizontalen Einzelrohren und in Rohrbündeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570287051

Aufgrund ihres niedrigen Treibhauspotenzials sind binäre zeotrope Gemische auf der Basis von Kohlenwasserstoffen vielversprechende Alternativen zu den bisher meist in Kälteanlagen, Wärmepumpen und organischen Rankine-Kreisläufen verwendeten Arbeitsfluiden auf der Basis von Fluorkohlenwasserstoffen. Für die effiziente Auslegung und Optimierung von in solchen Kreisläufen integrierten Kondensationswärmeübertragern, wie z.B. dem Rohrbündelkondensator, ist die Maximierung des kondensationsseitigen Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) an der Außenseite von Rohren und in entsprechenden Rohrbündeln erforderlich. Aufgrund des zeotropen Charakters der meisten relevanten Kohlenwasserstoffgemische, der zu einer bevorzugten Kondensation der hochsiedenden Komponente am Kondensationsrohr und damit zu einer den Wärmeübergang behindernden Anreicherung der tiefsiedenden Komponente in der Dampfphase führt, ist der WÜK für solche Gemische in der Regel deutlich kleiner als der der reinen Komponenten. Das vorliegende Forschungsprojekt soll zu einem verbesserten Verständnis des Wärmeübergangs bei der Kondensation von zeotropen Gemischen an horizontalen Einzelrohren mit unterschiedlichen Eigenschaften und in entsprechenden Rohrbündeln beitragen. So soll die Grundlage dafür gelegt werden, Rohrbündelkondensatoren zukünftig deutlich effizienter auslegen zu können. Dazu werden binäre zeotrope Gemische, die aus Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Struktur bestehen, über einen weiten Zusammensetzungsbereich untersucht. Dies ermöglicht es, nicht nur den Einfluss des sogenannten Temperaturgleits, der die Temperaturdifferenz zwischen Tau- und Siedelinie eines zeotropen Gemisches gegebener Zusammensetzung beschreibt, sondern auch weiterer thermophysikalischer Eigenschaften wie der Verdampfungsenthalpie, Viskosität und Oberflächenspannung auf den WÜK zu analysieren. Um die Einflüsse der Geometrie des Kondensationsrohrs auf den WÜK zu evaluieren, sollen Rohre mit einer systematischen Variation der Rippendichte in Kombination mit den binären zeotropen Gemischen und zu Vergleichszwecken auch mit deren reinen Komponenten in einer bestehenden Versuchsanlage untersucht werden. Zur Betrachtung der Auswirkung der bevorzugten Kondensation einer Komponente auf die Dampfzusammensetzung im Kondensator soll der Versuchsaufbau so modifiziert werden, dass die Zusammensetzung in der Nähe des Kondensationsrohrs mit Raman-Spektroskopie zugänglich ist. Zudem wird der Rohrbündeleffekt, der den Einfluss des Ablaufens von flüssigem Kondensat auf tiefer liegende Kondensationsrohre beschreibt, experimentell quantifiziert. Die Versuchsergebnisse dienen als Datenbasis für die Entwicklung eines analytischen Modells zur Vorhersage des WÜK von zeotropen Gemischen an berippten Kondensationsrohren. Nach der Validierung des Modells erlaubt dieses zudem, die Einflüsse der einzelnen Stoffeigenschaften auf den WÜK durch ihre alleinige Variation systematisch zu untersuchen, was experimentell nicht möglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen