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Unsteady Evaporation of Water from Wire Mesh Structures at Sub-Atmospheric Pressures

Volmer, Rahel (2021):
Unsteady Evaporation of Water from Wire Mesh Structures at Sub-Atmospheric Pressures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00018574,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Unsteady Evaporation of Water from Wire Mesh Structures at Sub-Atmospheric Pressures
Language: English

Adsorption heat pumps and chillers can provide thermal energy with a low carbon footprint, therefore, this technology could contribute to a sustainable future heat and cold supply system. Most adsorption modules work with the refrigerant water at sub-atmospheric pressures, which poses a challenge for effective evaporation and requires a customized design concept for the evaporator heat exchanger. The favorable nucleate boiling regime can hardly be reached under the given boundary conditions. Instead, evaporation from extensive thin refrigerant films on capillary structures represents a promising approach. This work refers to a heat exchanger concept for compact one-chamber adsorption modules, which employs porous capillary structures for cyclic condensation and evaporation without the need of continuous refrigerant supply. Such a concept necessarily involves unsteady evaporation conditions due to a continuous reduction of the refrigerant charge. Since scientific publications in this field are scarce, this work focuses on investigating unsteady evaporation of water from porous structures at sub-atmospheric pressures on the example of copper wire mesh structures. Special attention is paid to the question, how the transforming refrigerant distribution and heat transfer conditions interact, and how this interaction affects the dynamic evaporation performance. In this context, the impact of different structure geometry parameters (i.e. porosity, pore size, structure height, wire orientation angle) and thermodynamic conditions (vapor saturation pressure, heat flux) on the evaporation mechanisms and performance is addressed. Further questions are, if the evaporation dynamics can be reproduced with a simple mathematical model, and if wire mesh evaporators can finally be considered as a promising approach for the envisaged application. Investigations were pursued via two methodical approaches: Firstly, unsteady evaporation measurements with wire mesh structure samples of different geometry specifications were conducted. Secondly, a simple resistance-capacitance model was developed which includes time-dependent resistance and capacitance definitions representing the presumed heat transfer components. In both measurements and simulations, the overall heat transfer coefficient of the structure (from structure base temperature to vapor saturation temperature) was used as the main evaluation quantity. Additionally, the refrigerant storage capacities of the capillary structures were evaluated. Measurements and simulations revealed that the pore size of the mesh structure crucially affects the dynamic refrigerant distribution, refrigerant storage capacity, and evaporation performance for the investigated conditions: Large and medium pore sizes (0.8 mm clear mesh width and larger) involve a predominance of gravitational forces as against capillary forces (large Bond number) which leads to the dewetting pattern of a receding evaporation front. The thermal conduction resistance of the refrigerant-filled section represents the performance-limiting factor in a broad refrigerant charge interval for this dewetting type. A small pore size (0.375 mm clear mesh width), in contrast, implicates distinctly different dewetting and evaporation characteristics which presumably originate from a combination of a receding front and a pattern of wet and dry clusters and which can be ascribed to the increasing impact of capillary forces. Besides a potentially higher refrigerant storage capacity, the investigated structure with smallest pore size also reached the highest overall heat transfer coefficients of up to 23…28 kW/(m2K). Further analyses of geometry impacts indicated that a low porosity and low structure height are beneficial by trend, however, the optimal choice for these geometry factors depends on the envisaged application case. In the standard version of the resistance-capacitance model the conception of a receding refrigerant front was implemented. Respective simulations show a fairly good qualitative agreement with the measured evaporation dynamics of structures with large and medium pore size (≥ 0.8 mm). The prediction quality for the dynamics of small pore sizes is poor since for these structures the receding front dewetting characteristics do not apply. An alternative model conception (“receding front + static front”) implies possible dewetting mechanisms of fine pored structures and yields a better agreement with the respective measurements. Quantitative simulation results from the standard “receding front” approach match the measurement results quite well in several cases, however, the outcomes adumbrate that certain model parameters are imprecise. Despite the necessity for a revision of these definitions, the developed evaporation model is considered as a valuable tool for the prediction of unsteady evaporation processes. Integrated into a model on heat exchanger level it could potentially serve a basis for dimensioning methods. In order to assess the tested mesh structures with regard to the envisaged application, thermal transmittance (UA) and refrigerant storage capacity were referred to the structure volume which usually represents a critical design factor. On structure level the volume-specific thermal transmittance equals the structure-height-specific overall heat transfer coefficient, which is used as the assessment quantity for heat transfer on structure level. Here, the heat transfer coefficient refers to the temperature difference between structure base and saturation temperature of the vapor atmosphere. Considering the diverging requirements of a power-focused versus efficiency-(COP-)focused adsorption module design, the mesh structure with smallest pore size (0.375 mm clear mesh width) and medium structure height (10 mm) showed the best suitability for both cases (with a structure-volume-specific refrigerant storage capacity of about 850 kg/m3 and a structure-height-specific optimal mean heat transfer coefficient of 1350… 2500 kW/(m3K), depending on the required refrigerant turnover). A structure type with medium pore size (0.9 mm clear mesh width) and low structure height (5 mm) proved to be the second-best variant. These two most promising structure types were used for a potential assessment of a hypothetical wire mesh evaporator heat exchanger. A round tube heat exchanger design with external porous structure was assumed. Its geometry was adapted to a specific finned tube heat exchanger for partially flooded continuous operation which is one of the best-performing evaporators among current research activities and which was employed as an ambitious reference. The calculated absolute thermal transmittance values (UA values) reveal that the potential of advanced mesh structures can only be exploited if a sufficiently high fluid-side heat transfer is ensured. As an assessment quantity on heat exchanger level the construction-volume-specific UA value was used, which refers to the temperature difference between heat transfer fluid inside the tube and saturation temperature of the vapor atmosphere, and to the construction volume of the entire heat exchanger. From the estimation results it can be deduced that – depending on the considered conditions – the hypothetical mesh evaporator could reach similar construction-volume-specific UA values (ranging up to 1000 kW/(m3K)) as the highly efficient reference evaporator. An optimization of the structure geometry – such as a reduction of pore size and porosity and modification of the structure height – is expected to allow for further improvements. For a cyclic operation in one-chamber adsorption modules a mesh evaporator could prove particularly advantageous due to its low required refrigerant mass. Furthermore, it involves a high constructional flexibility. These outcomes suggest that the integration of wire mesh structures in an evaporator in cyclic operation is generally a promising approach for the application in adsorption heat pumps and chillers, and that further investigations are justified.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen können thermische Energie mit geringem CO2-Fuß-abdruck bereitstellen, daher könnte diese Technologie in Zukunft zu einem nachhaltigen Wärme- und Kälteversorgungssystem beitragen. Die meisten Adsorptionsmodule werden mit dem Kältemittel Wasser in einem niedrigem Druckbereich betrieben, was hinsichtlich des Ziels einer effektiven Verdampfung eine Herausforderung darstellt und angepasste Verdampferkonzepte erfordert. Das vorteilhafte Regime des Blasensiedens kann unter den gegebenen Randbedingungen kaum erreicht werden; hingegen stellt die Verdampfung aus ausgedehnten dünnen Kältemittelfilmen auf Kapillarstrukturen einen vielversprechenden Ansatz dar. Die vorliegende Arbeit bezieht sich auf ein Wärmeübertragerkonzept für kompakte Einkammeradsorptionsmodule, bei dem poröse Kapillarstrukturen für eine zyklische Kondensation und Verdampfung verwendet werden, ohne dass eine kontinuierliche Kältemittelzufuhr nötig ist. Solch ein Konzept ist aufgrund der kontinuierlichen Reduktion der Kältemittelbeladung zwangsläufig mit instationären Verdampfungsbedingungen verbunden. Da kaum wissenschaftliche Veröffentlichungen zu dieser Thematik verfügbar sind, befasst sich diese Arbeit mit der Untersuchung instationärer Verdampfung von Wasser aus porösen Strukturen im subatmosphärischen Druckbereich anhand von Drahtgewebestrukturen aus Kupfer. Ein besonderes Augenmerk ist dabei auf die Frage gerichtet, wie die sich ändernde Kältemittelverteilung und die Wärmeübertragungsverhältnisse sich wechselseitig beeinflussen und wie sich diese Wechselwirkung auf die dynamische Verdampfungseffektivität auswirkt. In diesem Kontext wird auch der Einfluss verschiedener Strukturgeometrieparameter (Porosität, Porengröße, Strukturhöhe, Ausrichtungswinkel der Drähte) und thermodynamischer Parameter (Sättigungsdampfdruck, Wärmestromdichte) auf die Verdampfungsmechanismen und –effektivität betrachtet. Weitere Fragestellungen sind, ob die Verdampfungsdynamik mithilfe eines einfachen Modells abgebildet werden kann und schließlich, ob Drahtgewebeverdampfer als aussichtsreicher Ansatz für die vorgesehene Anwendung betrachtet werden können. Die Untersuchungen wurden mit zwei methodischen Ansätzen verfolgt: Erstens wurden instationäre Verdampfungsmessungen mit Drahtgewebestrukturen verschiedener Geometriespezifikationen durchgeführt. Zweitens wurde ein einfaches Widerstände-Kapazitäten-Modell entwickelt, dessen Beschreibungen zeitabhängiger Widerstände und Kapazitäten die angenommenen Wärmeübertragungskomponenten repräsentieren. Sowohl für die Messungen als auch für die Simulationen wurde der Wärmedurchgangskoeffizient der porösen Struktur (von der Temperatur der Strukturbasis bis zur Sättigungstemperatur des Dampfraums) als primäre Auswertungsgröße verwendet. Zusätzlich wurden die Kältemittelhaltekapazitäten der Kapillarstrukturen bewertet. Wie Messungen und Simulationen zeigten, hat die Porengröße unter den betrachteten Bedingungen einen entscheidenden Einfluss auf die dynamische Kältemittelverteilung, das Kältemittelhaltevermögen und die Verdampfungseffektivität: Bei großen und mittleren Porengrößen (0.8 mm lichte Maschenweite und größer) überwiegt die Wirkung von Gravitationskräften gegenüber Kapillarkräften (hohe Bond-Zahl), was zu einer Entnetzungscharakteristik in Form einer absinkenden Verdampfungsfront führt. Der Wärmeleitwiderstand des kältemittelgefüllten Bereiches stellt bei diesem Entnetzungsschema in einem weiten Kältemittelbeladungsbereich den leistungslimitierenden Faktor dar. Eine geringe Porengröße (0.375 mm lichte Maschenweite) hingegen ist mit einer deutlich abweichenden Entnetzungs- und Verdampfungscharakteristik verbunden, die mutmaßlich von einer Kombination aus absinkender Front und einer Verteilung von gefüllten und trockenen Strukturbereichen herrührt und auf den zunehmenden Einfluss von Kapillarkräften zurückzuführen ist. Neben der potenziell größeren Kältemittelhaltekapazität erreichte die Struktur mit der geringsten Porengröße auch die höchsten Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 23…28 kW/(m2K). Die Analyse der Einflüsse weiterer Geometrieparameter ergab, dass eine geringe Porosität sowie eine niedrige Strukturhöhe tendenziell vorteilhaft sind; allerdings hängt die Wahl der optimalen Werte von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls ab. In der Standardversion des Widerstände-Kapazitäten-Modells wurde die Modellvorstellung einer absinkenden Kältemittelfront implementiert. Entsprechende Simulationen zeigen eine recht gute qualitative Übereinstimmung mit der gemessenen Verdampfungsdynamik von Strukturen mit großen und mittleren Porengrößen (≥ 0.8 mm). Die Abbildungsqualität für die Verdampfungsdynamik kleiner Porengrößen ist dürftig, da für diese Strukturen die Entnetzungscharakteristik einer absinkenden Verdampfungsfront nicht zutrifft. Eine alternative Modellvorstellung („absinkende Front + statische Front“ / “receding front + static front”) basiert auf möglichen Entnetzungsmechanismen feiner Strukturen und führt zu einer besseren Übereinstimmung mit entsprechenden Messungen. Die quantitativen Simulationsergebnisse des standardmäßigen „Absinkende Front“-Ansatzes entsprechen den Messergebnissen in diversen Fällen recht gut, allerdings deuten die Resultate auf eine Ungenauigkeit der Definitionen bestimmter Modellparameter hin. Trotz des Überarbeitungsbedarfs dieser Parameterdefinitionen wird das entwickelte Verdampfungsmodell als nützliches Instrument für die Abbildung instationärer Verdampfungsprozesse beurteilt. Integriert in ein Modell auf Wärmeübertragerebene könnte es potenziell als Basis für Auslegungsmethoden dienen. Um die vermessenen Gewebestrukturen in Hinblick auf die vorgesehene Anwendung zu bewerten, wurden die Wärmedurchlässigkeit (UA) und die Kältemittelhaltekapazität auf das Strukturvolumen bezogen, das üblicherweise einen kritischen Auslegungsfaktor darstellt. Auf Strukturebene entspricht die volumenspezifische Wärmedurchlässigkeit dem strukturhöhenspezifischen Wärmedurchgangskoeffizienten, der als Bewertungsgröße für die Wärmeübertragung auf Strukturebene verwendet wurde. Dabei bezieht sich der Wärmedurchgangskoeffizient auf die Temperaturdifferenz zwischen Strukturbasis und Sättigungstemperatur des Dampfraums. Unter Berücksichtigung der divergierenden Anforderungen eines wärmeleistungsorientierten versus effizienz-(COP-)orientierten Adsorptionsmodulkonzepts erwies sich die Gewebestruktur mit geringster Porengröße (0.375 mm lichte Maschenweite) und mittlerer Strukturhöhe (10 mm) für beide Fälle als am besten geeignet (mit einer strukturvolumenspezifischen Kältemittelhaltekapazität von ca. 850 kg/m3 und einem strukturhöhenspezifischen optimalen mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten von 1350…2500 kW/(m3K), je nach gefordertem Kältemittelumsatz). Als zweitbeste Struktur stellte sich die Variante mit mittlerer Porengröße (0.9 mm lichte Maschenweite) und niedriger Strukturhöhe (5 mm) heraus. Diese beiden aussichtsreichsten Strukturvarianten wurden für eine Potentialabschätzung eines hypothetischen Drahtgewebewärmeübertragers herangezogen. Es wurde die Bauform eines Rundrohrwärmeübertragers mit äußerlich angebrachter poröser Struktur angenommen. Seine Geometrie wurde angepasst an einen Rippenrohrwärmeübertrager für teilgefluteten, kontinuierlichen Betrieb, dessen Leistungskenngrößen im Vergleich aktueller Forschungsaktivitäten Spitzenwerte erreichen und der hier als ambitionierte Referenz verwendet wurde. Die berechneten Wärmedurchlässigkeitswerte (UA-Werte) machen deutlich, dass das Potenzial effizienter Gewebestrukturen nur ausgenutzt werden kann, wenn ein ausreichend hoher fluidseitiger Wärmeübergang gewährleistet wird. Als Bewertungsgröße auf Wärmeübertragerebene wurde der konstruktionsvolumenspezifische UA-Wert herangezogen, der sich auf die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerfluid im Rohr und Sättigungstemperatur des Dampfraums bezieht, sowie auf das Konstruktionsvolumen des gesamten Wärmeübertragers. Aus den Abschätzungen kann geschlussfolgert werden, dass der hypothetische Gewebeverdampfer – je nach betrachteten Bedingungen – ähnliche konstruktionsvolumenspezifische UA-Werte (von bis zu 1000 kW/(m3K)) erreichen könnte wie der höchsteffiziente Referenzverdampfer. Von einer Optimierung der Strukturgeometrie – beispielsweise in Form einer Reduktion von Porengröße und Porosität sowie einer Anpassung der Strukturhöhe – werden weitere Effizienzsteigerungen erwartet. Für den zyklischen Betrieb in Einkammer-Adsorptionsmodulen könnte sich ein Gewebeverdampfer als besonders vorteilhaft erweisen, da er mit einer sehr geringen Kältemittelmasse auskommt. Zusätzlich erlaubt er ein hohes Maß an baulicher Flexibilität. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Integration von Drahtgewebestrukturen in einen zyklisch betriebenen Verdampfer grundsätzlich ein vielversprechender Ansatz für den Einsatz in Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen ist und dass weitere Untersuchungen durchaus gerechtfertigt sind.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 197 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Boiling & Exaporation
Date Deposited: 14 Jul 2021 07:33
Last Modified: 14 Jul 2021 07:33
DOI: 10.26083/tuprints-00018574
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-185748
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter ; Luke, Prof. Dr. Andrea
Refereed: 16 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18574
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