Flow boiling of CO₂ in porous structures
Creators: name: Haertlé, Sonja Maria
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: CO₂
Wärmeübertragung
Druckverlust
Strömungsform
Strömungssieden
poröse Strukturen
feste Schwämme
offenzellige Schäume

description: Um die Vorteile der Integration poröser Strukturen in Verdampferrohre zu bewerten und somit effiziente Wärmeübertrager zu entwerfen, sind zuverlässige Vorhersagemodelle für Wärmeübergang und Druckverlust erforderlich. Angesichts der großen Zahl und Komplexität möglicher Einsätze ist eine Vorhersage auf Basis eines universellen Modells, welches auf nicht experimentell untersuchte Einsätze übertragen werden kann, von großem Wert. Lediglich Modelle, die auf etablierten Beziehungen beruhen und keine Anpassungsparameter benötigen, können aufgrund der bislang kleinen Datenbasis für Strömungssieden in Rohren mit Einsätzen dieses Kriterium erfüllen. Ziel dieser Arbeit war es daher, die folgende Hypothese zu verifi-zieren oder zu falsifizieren: Der Wärmeübergang und der Druckverlust beim Strömungssieden in einem horizontalen Rohr mit porösen Einbauten können durch physikalisch sinnvolle Kombination von etablierten Modellen aus den Bereichen „Einphasenströmung“ und „Sieden in Leerrohren“ beschrieben werden - ohne die Verwendung von Anpassungsparametern. Daher wurden Druckverlust- und Wärmeübertragungsversuche mit drei verschiedenen porösen Einsätzen an der Strömungssiedeversuchsanlage des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik (Karlsruher Institut für Technologie, KIT) unter Verwendung einer neu konstruierten Versuchsstrecke durchgeführt. Die horizontale Versuchsstrecke (Innendurchmesser 14 mm) misst den umfangsaufgelösten Wärmeübergangskoeffizienten bei konstanter Wandtemperatur. Ein Schauglas kombiniert mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht die Beobachtung der Phasenverteilung der untersuchten Zwei¬phasenströmung. Untersucht wurden zwei Schwammeinsätze (auch offenzellige Schäume genannt) mit unterschiedlichen Zellgrößen sowie ein Drahtmatrixelement. Die realisierten Betriebsbedingungen umfassen Sättigungsdrücke von 1,2 MPa bis 2,65 MPa (entsprechend Sättigungstemperaturen zwischen -35 °C und -10 °C und reduzierten Drücken zwischen 0,16 und 0,36), Massenströme von 25 kg m$^{-2}$ s$^{-1}$ bis 200 kg m$^{-2}$ s$^{-1}$, Strömungsdampfgehalten von 5% bis 98% und einer Wandüberhitzung von bis zu 7 K. Als Versuchsflüssigkeit wurde CO₂ gewählt. Der Druckverlust der Zweiphasenströmung in einem Rohr mit porösen Einsätzen wurde unter adiabatischen und diabatischen Bedingungen untersucht. Bei hohen Massenstromdichten konnte ein Modell entwickelt werden, welches auf einer Anpassung des quadratischen Forchheimer-Terms an eine Zweiphasenströmung nach dem homogenen Modellansatz beruht. Hiermit lassen sich mehr als 88% aller experimentellen Daten für einen bestimmten Einsatz mit einem absoluten prozentualen Fehler von weniger als 30% beschreiben. Für diabatische Bedingungen unterschätzt das homogene Leerrohrmodell die auf Beheizung zurückzuführende Komponente des Druckverlustes. Je größer der adiabate Druckverlust, desto höher ist auch dieser zusätzliche Druckverlust aufgrund einer Beheizung der Teststrecke. Der Wärmeübergangskoeffizient wurde lokal ausgewertet und mit dem Wärmeübergangskoeffizient in leeren Rohren sowie etablierten Modellen und Konzepten verglichen. Während die Einsätze den Beitrag des Blasensiedens zum Wärmeübergang beim Strömungssieden kaum zu beeinflussen scheinen, erhöhen sie den Beitrag des konvektiven Siedens. Daher ist eine Beschreibung des Blasensieden-Anteils mittels des auch fürs Leerrohr geeigneten Modells möglich. Im konkreten Fall ist dies die Gleichung von Cooper. Den konvektiven Beitrag beschreiben an die Zweiphasenströmung angepasste Modelle des einphasigen Wärmeübergangs an einer Rohrwand mit den jeweiligen Einbauten. Bei Schwammeinbauten ist dies beispielsweise das Modell von Bianchi et al. kombiniert mit einer Zweiphasen-Reynoldszahl. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, das mehr als 90% aller Daten mit einem Fehler von weniger als 30% beschreibt. Für dieses Modell ist kein Anpassungsfaktor erforderlich. Die Hypothese kann folglich für die Modellierung des adiabaten Druckverlusts bei hohen Massenstromdichten sowie für die Modellierung des Wärmeübergangskoeffizienten im untersuchten Parameterbereich verifiziert werden. Da die entwickelten Modelle auf etablierten Konzepten beruhen und auf die Verwendung von Anpassungsparametern verzichten, kann eine Übertragbarkeit auf andere poröse Strukturen, Rohrdurchmesser, Kältemittel und Betriebsbedingungen erwartet werden.