Untersuchung der mikroskopischen Wärme- und Stofftransportvorgänge an strukturierten Hochleistungsverdampferrohren beim Behältersieden.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Stephan
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 34038208

Aufgrund des weltweit steigenden Energiebedarfs und der immer akuter werdenden Ressourcenknappheit werden die Anforderungen an die Effizienz und die Nachhaltigkeit von industriellen Wärmeübertragungsprozessen immer höher. Dabei steht vor allem die Übertragung großer Wärmeströme bei immer höheren Wärmestromdichten und geringen treibenden Temperaturdifferenzen im Vordergrund des Interesses. Dies wird erreicht durch die Steigerung der Wärmeübergangskoeffizienten in den Wärmeübertragern. Als besonders effektiv haben sich in dieser Hinsicht geflutete Rohrbündelverdampfer in vielen industriellen Anwendungsbereichen erwiesen. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Strukturierung der Verdampferrohraußenfläche als die effektivste Methode zur Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten beim diesem Behältersiedevorgang erwiesen. Dabei kamen aufgrund ihrer Zuverlässigkeit bei der Wärmeübertragung und ihrer guten Fertigungseigenschaften hinterschnittene Strukturen, die vorwiegend umformtechnisch hergestellt werden, zum Einsatz. Verdampferrohre, die eine solche als „Reentrant-Struktur“ bezeichnete Geometrie auf der Außenfläche besitzen, sind unter der Bezeichnung „Hochleistungsverdampferrohre“ bekannt geworden. Bei der Entwicklung verbesserter Reentrant-Strukturen ist man bis heute nahezu ausschließlich auf empirische Untersuchungen angewiesen. Existierende semiempirische Modellierungsansätze weisen mitunter sehr hohe Vorhersageungenauigkeiten (> 70 %) auf, da wesentliche Wärme- und Stofftransportvorgänge an der Verdampfungsstruktur gar nicht oder nur stark vereinfacht abgebildet werden. Zur weiteren Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten kommen neben Reentrant-Strukturen mikrostrukturierte Rohroberflächen in Frage, die mit neuen Herstellungsverfahren gefertigt werden. Für solche Strukturen existieren jedoch nur wenige empirische Korrelationen zur Beschreibung des Wärmeübertragungsverhaltens, die auf sehr spezifischen experimentellen Untersuchungen basieren. Das hier beantragte Forschungsvorhaben hat im Gegensatz zu bisherigen Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet die grundlegende experimentelle Untersuchung der lokalen Wärme- und Stofftransportvorgänge an Hochleistungsverdampferrohren und in deren Strukturen zum Ziel. Dabei sollen die Transportvorgänge sowohl für Reentrant-Strukturen als auch für mikrostrukturierte Rohroberflächen zeitlich und örtlich hoch auflösend untersucht werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen soll ein Ansatz zur direkten numerischen Simulation der dominanten Wärmeübertragungsmechanismen abgeleitet werden, der experimentell validiert ist und eine genauere Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten sowie eine gezielte Strukturoptimierung ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen