Die Projektergebnisse bieten einen transparenten Vergleich innovativer Technologien mit dem Stand der Technik. Hierdurch wird apparatebauenden KMU eine Gegenüberstellung von Glattrohr-, Rippenrohr- und Kissenplatten-Wärmeübertragern ermöglicht. Untersucht wurden die Verdampfung und die Kondensation an diesen Bauformen. Die im Vorgängerprojekt beobachtete Steigerung der Wärmeübertragungsleistung durch Rippenrohre und Kissenplattenapparate konnte für weitere Reinstoffe bestätigt und für Gemische erweitert werden. Auch die im Vorgängerprojekt gewonnene Erkenntnis, dass durch den Einsatz von Kissenplatten der Betriebsbereich von Naturumlaufverdampfern erweitert werden kann, wurde für weitere Reinstoffmessungen bestätigt. Durch die Verwendung von Rippenrohren konnte der Wärmeübergang beim Sieden sowohl im Bereich der freien Konvektion als auch im Bereich des Blasensiedens gesteigert werden. Der Materialeinfluss beim Blasensieden wird in der Literatur bisher unterschätzt. Auch bei der Reinstoffkondensation an Rippenrohren wurde für alle Messungen eine deutliche Steigerung des Wärmeübergangs im Vergleich zum Glattrohr festgestellt. Die an den Forschungsstellen durchgeführten Untersuchungen zeigen einheitlich, dass die Anwesenheit einer zweiten Komponente den Wärmeübergang an den betrachteten Geometrien bei der Verdampfung und der Kondensation negativ beeinflusst. Sowohl bei der Verdampfung als auch bei der Kondensation verringert sich die Wärmeübertragungsleistung durch die Anwesenheit einer zweiten Komponente am Rippenrohr stärker als am Glattrohr. Außerdem ist der negative Einfluss auf den Wärmeübergang bei weitsiedenden Gemischen deutlich stärker ausgeprägt als bei engsiedenden Gemischen. Ein Belag auf der Heizfläche führt beim Sieden zu einem noch schlechteren Wärmeübergang als ein Gemisch. Handelt es sich bei der zweiten Komponente um einen Nichtsieder bzw. um ein Inertgas, ist die Verringerung der Wärmeübertragungsleistung noch größer. Neben der Wärmeübertragung, wird auch die Fluiddynamik im Kissenplatten-Naturumlaufverdampfer bei einem weitsiedenden Stoffsystem stark negativ beeinflusst, wodurch der Betriebsbereich des Apparats deutlich eingeschränkt wird. Die im Projekt erhobene Datenbasis kann von KMU, die nicht über eigene experimentelle Möglichkeiten verfügen, als Grundlage zur Auslegung von Wärmeübertragern verwendet werden.
Ein Vergleich der erhobenen Messdaten mit Berechnungsmethoden bestätigt die Verfügbarkeit von Auslegungsmethoden für die untersuchten innovativen Wärmeübertragergeometrien im Betrieb mit den verwendeten Stoffsystemen. Es wurden verschiedene Ansätze zur Modellierung des Materialeinflusses auf die Verdampfung an horizontalen Rohren untersucht und Modelle mit hoher Übereinstimmung gefunden. Auch die Verschlechterung der Wärmeübertragung im Gemisch konnte im Modellvergleich gut wiedergegeben werden. Für die Kondensation von Reinstoffen an horizontalen Rohren konnte ebenfalls eine geeignete Berechnungsmethode gefunden werden. Wird die Kondensation von Gemischen an horizontalen Rohren modelliert, muss berücksichtigt werden, ob das System eng- oder weitsiedend ist. Für alle untersuchten Stoffsysteme konnten Berechnungsmodelle gefunden werden, mit denen die Kondensation an den untersuchten Glatt- und Rippenrohren beschrieben werden kann. Ein Modellvergleich mit den Messungen am Kissenplattenverdampfer zeigt gute Übereinstimmung des produktseitigen Wärmeübergangs für Reinstoffe und engsiedende Gemische. Für das untersuchte weitsiedende Gemisch und kleinen Prozessdruck unterschätzt das Modell jedoch den Wärmeübergang. Zudem wurde der Kissenplattenverdampfer erfolgreich anhand eines Rohrbündeläquivalents modelliert. Diese Äquivalenzbetrachtung hat gezeigt, dass die Kissenplatte wesentlich kompakter gegenüber dem Rohrbündeläquivalent ausfällt. Neben den Messdaten stellen auch die im Projekt durchgeführten Modellvergleiche, z. B. für ingenieursdienstleistende KMU, eine bisher nicht verfügbare Informationsbasis dar.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 12/2019 bis 02/2023 an der Universität Kassel, Institut für Thermische Energietechnik (Kurt-Wolters-Straße 3, 34109 Kassel, Tel.: 0561/8043269) unter der Leitung von Prof. Dr. A. Luke (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. A. Luke) und der TU München, Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik (Boltzmannstr. 15, 85748 Garching, Tel.: 089/28916501) unter der Leitung von Prof. Dr. H. Klein (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof., Dr. H. Klein) und der TU Braunschweig, Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (Langer Kamp 7, 38106 Braunschweig, Tel.: 0531/3912780) unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan Scholl (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. Stephan Scholl) und der Universität Paderborn, Fakultät Maschinenbau, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (Pohlweg 55, 33098 Paderborn, Tel.: 0525/1602408) unter der Leitung von Prof. Dr. E. Kenig (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. E. Kenig)
Das IGF-Vorhaben Nr. 20755 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.