Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Kondensation in Plattenwärmeübertragern
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens ist es, die thermohydraulischen Vorgänge bei der Kondensation im Plattenspalt mit Wellenprägung im Detail zu verstehen und somit einer verbesserten Modellierung zugänglich zu machen. Zur grundlegenden Aufklärung der Vorgänge wurde ein Visualisierungsprüfstand aufgebaut, in welchem die Strömungsform, der Druckverlust und der Wärmeübergangskoeffizient für einen vorgegebenen konstanten Strömungsdampfgehalt in einem adiabaten Spalt aus durchsichtigen Polyurethanplatten bestimmt werden können. Der Strömungsdampfgehalt kann zwischen 0 ≤ x ≤ 1 variiert werden, als Fluid wurden bisher ein Luft/Wasser Gemisch sowie das Kältemittel R365mfc im zweiphasigen Zustand eingesetzt. Die Randwinkel der Flüssigkeiten Wasser und R365mfc mit Polyurethan bzw. Stahl wurden gemessen. Als deutlich unterscheidbare Strömungsformen bei der bisher untersuchten Platte mit einem Prägungswinkel von φ = 63° wurde die Filmströmung, die Schwallströmung und die Blasenströmung identifiziert. Ein Kippen des Plattenspaltes um 45° nach vorne bringt keine Veränderung des Strömungsbildes. Die Strömungsformen-Karte für R365mfc ist durch Skalierung der Leerrohrgeschwindigkeit der flüssigen Phase in die Karte für die Luft/Wasser Strömung überführbar. Die Messung des Wärmeübergangskoeffizienten ist mit der Temperaturschwingungsmethode (TOIRT: Temperature Oscillation InfraRed Thermography) möglich, wenn eine Polyurethan-Wellplatte durch eine Metallplatte ausgetauscht wird. Messungen zum Wärmeübergangskoeffizienten bei zweiphasigen Strömungen wurden durchgeführt, diese Messtechnik muss aber noch weiter validiert werden. Entwickelt und erprobt wurde ferner eine kapazitive Impedanzmessung an zwei im Plattenspalt gegenüberliegenden dünnen Elektroden, wodurch sich der lokale volumetrische Strömungsdampfgehalt bestimmen lässt. Ein zweiter Versuchsstand wurde umgebaut, so dass ein technischer Plattenwärmeübertrager im reinen Kondensationsbetrieb ohne Enthitzung des Dampfes untersucht werden kann. Hier wurden Messungen mit R134a an Platten mit ebenfalls φ = 63° durchgeführt. Durch mehrere auf der Platte aufgelötete Thermoelemente können an diesem technischen Kondensator quasilokale Wärmeübergangskoeffizienten gemessen werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die jeweils in unterschiedlichen Verfahren und Versuchsständen gemessenen Werte zum Wärmeübergangskoeffizienten auf Konsistenz zu überprüfen. Die bisher durchgeführten Messungen haben wie erhofft deutlich zur Aufklärung von lokalen Phänomenen im Plattenspalt beigetragen. Die Messungen müssen für einen erweiterten Parameterkreis fortgeführt werden, um belastbare Korrelationen zur Vorausberechnung von Strömungsform, Druckverlust und Wärmeübergang entwickeln zu können. Bisher bekannte Korrelationen gelten nur für einen punkt- oder linienförmigen Parameterzustandsraum. Die Strömungsformen können unter www.hsu-hh.de/thermodynamik als Video angesehen werden.
Publications
- Experimental Investigations and Modeling of condensation in Plate Heat Exchangers, Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference, Washington DC, 2010
Grabenstein, V., Kabelac, S.
- Experimental investigations on condensation heat transfer and pressure drop of R134a in a plate heat exchanger, Heat and Mass Transfer 46 (2010) 1177-1185
Shi, Z.-Y., Chen J.-P., Grabenstein, V., Kabelac, S.
- Strömungsformen in zweiphasig durchströmten Plattenwärmeübertragern, Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2010, Magdeburg, AA II.1
Grabenstein, V., Kabelac, S.
