2
Strömungsverdampfen von CO 2 bei Verdampfungstempera- turen unter 0 C in der Literatur bekannt. Hier werden Messungen von Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungsverdampfen von CO 2 im horizontalen Glatt- und Rippenrohr für drei Massenstrom- dichten (75 bis 500 kg/m 2 s), Drücken im Bereich von 19,1 bis 39,7 bar und für Strömungsdampfgehalte bis 90 % vorge- stellt. Die Versuchsanlage besteht aus einem horizontalen Messkreislauf mit vier Vorverdampfern, einer Messstrecke, einer thermischen Schutzstrecke und einer Sichtstrecke zur Beurteilung der Strömungsform. Der letzte Vorverdampfer, die Messstrecke und die thermische Schutzstrecke sind aus dem gleichen Rohr gefertigt und direkt miteinander verbun- den, um adiabate Einflüsse und axiale Wärmeverluste zu vermeiden. Durch die in Umfangsrichtung segmentierte Bauart der Messstrecke können neben umfangsgemittelten Messwerten auch lokale von der Benetzung (Strömungs- form) abhängige ermittelt werden. Dabei ist besonders der lokale Wärmeübergangskoeffizient des stets vollständig be- netzten Grundsegmentes von Bedeutung, da dieser Wert auf vertikale Rohre übertragen werden kann. Es werden die Einflüsse der verschiedenen Para- meter auf den Wärmeübergang im Glatt- und Rippenrohr gezeigt und die Ergebnisse aus beiden Rohren verglichen. Anhand der Messwerte im Glattrohr wurden verschiedene Korrelationen bezüglich ihrer Vorhersagegenauigkeit ge- prüft, wobei die Korrelation von Steiner [1] die geringsten Abweichungen aufweist. Durch Anpassung eines stoffspezi- fischen Faktors konnte die Vorhersagegenauigkeit noch ver- bessert werden (s. Abb.). Ferner wurden bekannte Glei- chungen für den Druckverlust beim Strömungsverdampfen angewandt und bezüglich ihrer Vorhersagegenauigkeit überprüft. Dabei weisen zwei Gleichungen, eine von Storek und Brauer die andere von Müller-Steinhagen, die gerings- ten Abweichungen auf. Abbildung. Vergleich zwischen gemessenen und mit der angepassten Korrelation von Steiner [1] berechneten Wärmeübergangs- koeffizienten. [1] D. Steiner, Strömungssieden gesättigter Flüssigkei- ten, in: VDI-Wärmeatlas, 9. Aufl., Abschnitt Hbb, Springer Verlag, Berlin 2002. F-09 Wärmeübergang und Strömungs- struktur beim pulsierenden Prallstrahl Dipl.-Ing. H. Hofmann* 1) E-Mail: [email protected] Prof. Dr.-Ing. H. Martin 1) Prof. Dr.-Ing. M. Kind 1) 1) Universität Karlsruhe (TH), Institut für Thermische Verfahrenstechnik, Kaiserstraûe 12, D-76131 Karlsruhe. Das Wissen über den konvektiven Wärmeübergang und die Möglichkeiten zu dessen Berechnung sind in den meisten Fällen auf stationäre Strömungen beschränkt. Doch in vie- len technischen Anwendungen herrschen instationäre Strö- mungsbedingungen vor. Meist wird bisher zur Berechnung des Wärmeübergangs auf quasistationäre Ansätze zurück- gegriffen. Es ist aber bisher nicht bekannt, wie weit solche Ansätze gültig sind. Im Rahmen dieses Beitrages werden Unter- suchungen zu dieser Problematik für eine häufig vor- kommende Strömungsform ± die rotationssymmetrische Prallströmung ± vorgestellt. Für dimensionslose Düsenaus- trittsgeschwindigkeiten von Re = 14000 ± 125 000 wird der mittleren Strömung eine sinusförmig verlaufende Ge- schwindigkeitsänderung aufgeprägt. Amplitude und Fre- quenz dieser Pulsation sind unabhängig voneinander ein- stellbar. Das Geschwindigkeitsfeld des Strahls wird mit einem Laser-Doppler-Anemometer erfasst. An ausgewähl- ten Punkten werden mittlere Geschwindigkeit und Turbu- lenzgrad sowie Amplitude, Phasenverschiebung und Fre- quenzspektrum der Pulsation ermittelt. Abbildung. Einfluss einer Pulsation auf den Wärmeübergang beim Prallstrahl (Re = 78 000, H/D = 8,5) bei groûen Abständen und moderaten Frequenzen. Zur Messung des Wärmeübergangs wird eine In- frarot-Kamera eingesetzt. Mit dieser wird die Oberflächen- temperatur einer durch den Strahl abgekühlten geschwärz- ten Glasplatte erfasst. Die Unterseite der Glasplatte wird Thermodynamik 1347 Chemie Ingenieur Technik 2004, 76, No. 9

Wärmeübergang und Strömungsstruktur beim pulsierenden Prallstrahl

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Wärmeübergang und Strömungsstruktur beim pulsierenden Prallstrahl

����������� ����� �� ��� ��� ���� ������������ ������ ����� � �� �� ��� ����� ��� ��� ����

���� ������ ������� �� !���"���� ����� #��$���%�� ���� ����������� ����� �� ��� ��&���'��� %�� (% ��� ��� )�������&� �"� ���� � ���������$&��� *+, �� ,�� ��-��./ #�"$��� �� 0����$& �� 12/1�� 32/+ � � ��� �"� ��������� �����& %�� �� 2� 4 �������%%�� #�� ����$& �% �� ����&� � ����� &���'��� %��������% �� ��� ��� ������ ������/ ����� �����$��/����� �&����$&�� �$&��'���$�� ��� ����� ��$&����$�� '��0������%��� ��� ������������� #�� %��'�� ������ �����/��� �����$�� ��� ��� �&����$&� �$&��'���$�� ��� ���� �%��$&�� )�&� ��������� ��� ������ ������ ���� ���������/ �� �� � �� 5���%"� ��� 6� %� !�����%��� '���������� #��$& ��� �� 7�� ����$&���� �����������0 � �� ��� �����$�� ������ ����� ��� ���������%����������� �$& %�� %� �� ��� 0����'��� *�������������. �&!����� �������%� ������� # ��� �� ������� ���%�� %� !���"���� ��������'���� �� ��� �%%�!���� ������'��� (����������� �� 0��������/ � ����� ��� ������� %� )�&�� "����� ��� ������ � ���

5 ������ ��� 5���%"� ��� ��$&������� 8 � ������ �� ��� !���"���� �� �� (% ��� ��� )�������&���'���� ��� ��� 5������� � ������ )�&��� ���%�$&���9�& �� ��� ������� �� (% ����&� ������ ��$&������:����% ������ ��'"�%�$& �&��� ���&�� ����� ������� �����"��/ ����� ��� :����% ���� �� ������� ;1< ��� ���������9����$&����� ������� #��$& 9�� ��� ���� ������'����$&�� = ���� ������ ��� ���&�� ����� ������� ��$& �������� ������ *� 9���.� =����� ������ ��� ���� (%���$&����� �"� ��� #��$���%�� ���� ����������� ����� ���� ��� ��� ��'"�%�$& �&��� ���&�� ����� �������"�����"��� # ��� ����� '��� (%��$&�����/ ���� �� ��������� 0� ��� ��� ����� �� �"%%��������& ���/ ��� ���������� 9����$&����� ���

������������������ ������ �� ������� ��� �� ��� ���������������������� ��� ������� ��� ����������� ��� �������������� �������!

;1< #� �������/ ������������ �� ������ ����������/ ��> �#?� !��� �% / 2� 9��%�/ 9�$&���� ���/�������� ���% �/ 0��%�� �����

����

����������� �� ���������������� ���� ���������� ���������

� � � � � � � � � � � �� �� � �

5�� �%> &�������&��� ��@$�������� �%��&����

� � � � � � �� � � � � � � ! � � � �

� � � � � � �� � � � � ! � " � � �

1. 7������!� : �%��&� *A�./ ?������ �"� A&����$&����� &�����$&���/ : ����� B� 1�/ #�+C131 : �%��&��

# ��� "��� ��� ��������� !���"���� �� ��� ������%�$&������ '� ���� 0���$&���� ��� �� ��� ������=!%%�� �� � ����!�� ���������� ��$&�!���� #�$& �� ���%�� ��$&��$&�� 9���������� &���$&�� ��� ����!�� �������������������� ��� ���� ���� ��&�� '�� 0���$&������ !���"���� �� �� D� �� ����!�� 9�!�'� '��"$������������ 5 �� ��� ��&�� ��$&� ��� ���/ ��� ���� �%$&�9�!�'� �"%��� ����

?� ) &��� ���� 0���� �� ������ 7������$&����� '� ����� 8���%�� ��� �"� ���� &!���� ����������� ������������ E ��� ��� ����F������$&�8� %%������� E ������%%�� ="� ��������%�� #"�� ���������$&������������ �� )� G 1H��� E 1�, ��� ���� �������%���� �������� ���� ��������� ��% ������ (��$&����������!������� ������!��� 9��%����� ��� =���D���' ����� 8�% ���� ��� �� �&!���� ����� ���� ������%%� �� # (�$&������������%� �� ��� &% ���� �������� � ���#���%���9��������� ��� �� 9� ����!&%���� 8������ ������ ����%��� (�$&���������� ��� A�����%��'�� � ���� 9��%�����/ 8& ����$&������ ��� =���D���'������� ��� 8�% ���� �������%��

���������"�� ���� ����� #�������� �� ��� ��� ��������� ��� #���������� $%� & '( )))* +,- & (*./ ��� ���0�� 1����������� �������� 2��3�����!

I�� ����� �� !���"���� �� ���� ���� ?���� ����: ��� �������'�� ��� ����� ���� ��� �����%!$&��������� ��� ����� ���$& ��� ��� &% ����"&%��� ��$&�!�'���� (% �% ��� ��� �� #�� 7�������� ��� (% �% ��� ����

� � � � � � � � � � � 13H+������ ������� ������ 4))5� ��� ��� �

Page 2: Wärmeübergang und Strömungsstruktur beim pulsierenden Prallstrahl

���$& �������������� # ��� ���&��� ��& %���� #��$&0���$&���� �� A����� �����%�� �� ��� 8% ��� %!� �$&��� ���% �� ��� !���������$&��� �� ��� 8% ��� � �������������� �������%�� # � � % �� �$& %�� %� !����"���� ��������'������ ���%�$& &�$& ����%�� ��������/��� ��� 5���%� ��� 8�% ���� �� ��� !���"���� ��%!� �$& ������$&��� 5 '���� �$&/ � ��� ��� &% ���$&��� 8�% ���� ������� ���� ��� �$& ��� :����� &% ���"�'��#�� �� ��� 0����$& � $& ��� #"�� ������/ �� ��� ��� (��$&���������� �� ��� ��� &% $&� ����������� �%����� 0���%����� 9��!���� '��$&�� #"� ��� 8% ��� ��� ����� ���� =��D���'�� �� ��� ���� ������� 9�������� ��� 8�% ����� �� ��� !���"���� �� �����%%� �� 0�� ���B�� 9���!���� ����� � ���$& ��� 8�% ���� '� ����� )���������� %�� %�� !���"���� ��� ?� ������$&��� 0����$& �����!�� ��� )�������� �� '� 3� 4/ ���%�$&�� ��� ��� � ����!���� = %%� #�� 9���%���� '���� ����� ����%��$& ��� %�� %��J��%��I &%�� ��� ����� �������� �&�� ��� ��� �������!���� 8�% ����� #�� 9��%����� ��� 8�% ���� ����!�� H� 4��� ����%���� (�$&����������� #���%�$& �� ��� 9�� &���� !���"���� �� �� 9�&!�������� ��� =��D���' '� ����������

���������� � ���� ��������� ��������

������� #� ���$���� % &���!����'������ ���'� (��)�������� ��#�������*������������$���������'������ )����� +)����������'�

� �� �� � �� , � *�� � � � � � �

5�� �%> ���&%���@������

� �� , � + � � � � � �

� � � � � � �� -� .� �� ' � � /

1. 7������!� �%�������/ ?������ �"� )���� ���9���� ���� �&����/ A�$&��$&� �&����/#��C111 �%�������K

3. J � �� 7������F/ ��$& ��$ % �F��� 5����������/J � �� L,��L,�1/ M � ��

#�� 9�%����� ��$&������� 8��'�� �� ��� $&���$&����� �& �� '����$&�� ?������� ��������� ����� �������$&�� # ��� �"� ��� $&���$&� )� ����� ��� ��� !������� ������� ����� ���������� '���%!��� )��������*# �����"$��/ #�$&���/ !���� � '��!���/ 5��& %����/���. ��� (���$&� ��� *8& ���%��$&����$&��/ 56'�����B��.� 9������� ��� 0�������� �&����$&�� A������� &����� � ��� ��� :������ ��� 8& ���%��$&����$&�� �� ���������� 0��������� I�� 0�$&������� �� 8& ���%��$&�����$&���& %��� ������ �������� �5�����%%� ���� I��

� ���%��$&����� &�� ���'���� ������� # ��� ����'��I�� ���%��$&����� ��� ���B�� ������%/ � �� �$& �"��F���� ��� "��������$&�� :���������� �������'� ������� ������ ��� ����� 8& ���%��$&����$&������� ������������� �"� ��� 9�%����� ��������%�$&�� (��B�� ��� #�$&����/ !���� � '��!���/ 5��& %���� ��� ��� ��������� 0����������� ��� �� %%��/ ��� ��� % '�!�'%�$&� ?����� ����� ��������%�$& �!����

0� �� �� M &��� � � ��� 5�� �' �� I�� ����%��$&����� �� ����% �� �F���� ��$&�!���� 5�� ���$&5����$�%��� ��� �5���$&�������%� ������ � 9��������������� �� ��% �� �F���� ��������� ������� ��� �����7J?=9� % �5�����%% ��� ��� �):�I�� ���%��$&��������� ���� ��!������/ ����� ������ �� (����������� ��'�� ���%��$&��� *8�):. �����$��%� ������� #�� ��$&�6���������� �$&�!$&�� �� 8�):�����%% ��� ��� 0��$&������� ��� =%"��������$&���/ �� F������$&���F����� ��� ��� ���%� ��� # ���%%��� �� ��5/ &5/��5/ ��� ������ ���$& ���� �������� I�� ���%��$&���*�A8)./ ��� ���������� �� ���� 7J?=9� ��� ���������� ��$&�������%� ��������� �����&�� ����� � 9��������������� �� �A8) �� �F���� ��� � ���� 5%������%F��� ��� 8�%F����� ���������� ��� �A8) ��&� ����������%%� (����������� �'�� ���%��$&��� '�� �����"����/ ��� ��$&� ��� ���� '���%!��� # ���%%��� ���)����������B��/ ������ �$& ��� # ���%%��� ��� ���$&�������� 8& ���%��$&����$&�� ��� (���$&� ��� ���� �����

?� ����� � ���� ��� ������%%� (����������� ��'�� ���%��$&��� �A8) ������%%�� 9� ��$&�������0�����%�� �%% ����������� ������/ ��� ����� ��������������� (����������� �'�� ���%��$&��� ��� ����������)����������B��/ 8& ���%��$&����$&�� �"� ��� ��$&�������� �&����$&�� A�������'��/ � %�������� ��� � %���������5������ � ���� 5%�����%F�� �� � 8& ����%��$&����$&���& %���/ ��� 5���%� ��� )� %��!� �� ���(%��$&����$&��� �' ��� ��� )� ��������& %��� $&����$&�� )� ������� ��� ������� 9���������� ����$&��$&�� ?������ *'�0� 9�� &% ���������� =%���� �������%������ ��� =��%����� ��� 0���������� �"� 56�� ���������'�� ��� "��������$&�� =%�����. ����$&��� ������� �������

����

!��������0���'�� ������� ���������������� �� ��� *�����

��� -� " � � � � �

5�� �%> ���� � @�������%����

&� 1 �� �� �

1. ?������ �"� 8&F�� %�$&� �&����/ 7������!� :�%�/��6�������� ��� B� 11C/ #�,�232 :�%��

?� ����� 9����� ������ ��� :�����%���� ��� � $&���� �� 8 �����%� ��� ��� ���&��� ��� ��%���% ��F� ���$&�� ����% ���� *�#. ������$&�� #�� �$&�������� %����

13HL������ ������� ������ 4))5� ��� ��� �

� � � � � � � � � � �