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Erweiterte Einsatzmöglichkeiten von Naturumlaufverdampfern durch Turbulenzpromotoren und strukturierte Rohre

IGF-Nr. 15080 N

Für die Untersuchung des Wärmeübergangs und der Eignung der Turbulenzpromotoren für die Naturumlaufverdampfung wurde ein dampfbeheizter Einrohrnaturumlaufverdampfer aufgebaut und in Betrieb genommen. Es erfolgten Naturumlaufmessungen mit einem glatten Edelstahlrohr, einem innenberippten Kupferrohr sowie einem mit hiTRAN-Insert CG 212 bestückten Edelstahlrohr. Bei diesen Versuchen wurde der scheinbare Flüssigkeitsstand, die Drücke auf Heiz- und Produktseite sowie die Versuchsmedien (Wasser und Wasser/Glycerin) variiert. Um verlässliche Ergebnisse hinsichtlich des produktseitigen Wärmeübergangs zu erzielen, wurde zusätzlich zu den vorgesehenen Arbeitspaketen das Wilson-Plot Verfahren durchgeführt. Auf Basis dieses Verfahrens konnten eine verlässliche Berechnung der heizseitigen Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit von den übertragenen Wärmeströmen erstellt und die produktseitigen Einflüsse auf den produktseitigen Wärmeübergang durch die Turbulenzpromotoren quantifiziert werden.

Für den Aufbau einer Berechnungsgleichung des Zweiphasendruckverlustes der verwendeten Turbulenzpromotoren wurden zahlreiche Messungen an einer Umlaufapparatur durchgeführt. Zur Validierung der Ergebnisse erfolgten zunächst einphasige Druckverlustmessungen für das Glattrohr und die Turbulenzpromotoren unter Variation der Strömungsgeschwindigkeit mit den Medien Wasser und Wasser/Glycerin bei Umgebungsbedingungen. Der Vergleich der Druckverluste mit vorhanden Literaturdaten zeigt eine gute Übereinstimmung. Die Zweiphasendruckverlustmessungen erfolgten unter den gleichen Bedingungen.

Als zweite Phase wurde Druckluft verwendet. Durch Variation des Gasstroms wurden volumetrische von Gasgehalte von 0 bis 0,4 L Gas / L gesamt eingestellt. Aus den Ergebnissen der Druckverlustmessungen erfolgte eine erste Eignungsbewertung der Turbulenzpromotoren zur Verwendung in Naturumlaufverdampfern. Aufgrund eines massiven Druckverlustes des Kenics- Mischers wurde dieser als nicht geeignet für den Einsatz in Naturumlaufverdampfern bewertet. Für das innenberippte Rohr und das hiTRAN-Element CG 212 wurden dimensionslose Berechnungsgleichungen für den Druckverlust in Abhängigkeit von der Reynoldszahl und des Gasgehaltes erstellt. Die Ergebnisse der Messungen zeigen einen positiven Effekt der Drahtgestrickeinbauten für das System Wasser/Glycerin im Vakuumbetrieb auf der Produktseite. Im Vergleich zum Glattrohr wurden eine Stabilisierung und Vergleichmäßigung des Strömungsverhaltens sowie eine Erhöhung der produktseitigen Wärmeübergangskoeffizienten um einen Faktor von bis zu fünf festgestellt. Das innenberippte Rohr zeigte eine deutliche Verbesserung des haltens und der produktseitigen Wärmeübergangskoeffizienten für das Testmedium Wasser bei Normaldruck. Basierend auf Gleichungen aus dem VDI-Wärmeatlas wurde eine Modellierung aufgebaut. Darin kann das Rohr in bis zu 80 axiale Segmente unterteilt werden. Mit den Eingangsdaten (Druck im Brüdenabscheider, Druck auf der Heizseite sowie scheinbarer Flüssigkeitsstand) können iterativ lokale Kern- und Wandtemperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten, Strömungsmassendampfgehalte, lokale Wärmestromdichten sowie der insgesamt übertragene Wärmestrom berechnet werden.

Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.

 

Forschungsstelle: TU Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Projektleiter: Prof. S. Scholl
Laufzeit: 01.09.2007 - 31.08.2010
Betreut durch: AK 2

 

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 15080 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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