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Experimentelle Untersuchungen zum Sieden in Metallfaserstrukturen im Bereich niederer Drücke

Witte, Kai Thomas :
Experimentelle Untersuchungen zum Sieden in Metallfaserstrukturen im Bereich niederer Drücke.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchungen zum Sieden in Metallfaserstrukturen im Bereich niederer Drücke
Language: German
Abstract:

In Hinblick auf die Reduzierung des Primärenergiebedarfs zum Heizen und Kühlen wird seit einigen Jahren die Entwicklung thermisch betriebener Kältemaschinen wie Ab- oder Adsorptionskältemaschinen vorangetrieben. Diese Maschinen verwenden Wasser als Arbeitsmittel, welches entsprechend der Betriebsbedingungen in einem Systemdruckbereich zwischen 7,6 und 20,7 mbar verdampft. Wie Entwicklungsarbeiten zeigen, stellt der Verdampfer neben dem Ab- bzw. Adsorber eine Schlüsselkomponente für die kostengünstige Herstellung, die Reduzierung des Bauvolumens und die Optimierung der Gesamteffizienz dieser Technologien dar. Hier gilt es vor allem, den äußeren Wärmeübergang zwischen der Verdampferwand und dem Arbeitsmittel bei den geringen vorliegenden treibenden Temperaturdifferenzen zu verbessern.

Da Verdampferkonzepte anzustreben sind, die ohne Arbeitsmittelpumpe auskommen, konzentrieren sich die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit auf die Möglichkeiten zur Verbesserung des Wärmeübergangs entsprechend des Behältersiedens. Der Übertemperaturbereich, in dem die Verbesserung angestrebt wird, ist entsprechend des Betriebsprozesses der Maschinen bis maximal 7 K gegeben. Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist der effiziente Wärmeübergang mittels Verdampfung aus metallischen Kurzfaserstrukturen, da mit ihnen der Kapillareffekt in Kombination mit Mikrozonenverdampfung ausgenutzt werden kann und ihr poröser Aufbau das Erreichen des Regimes des Blasensiedens bei diesen Übertemperaturen erwarten lässt. Das Potenzial dieser Kurzfaserstrukturen wird anhand der Siedefälle der vollständigen Flutung der Faserstruktur, der Kapillarfütterung und der Teilflutung analysiert. Um dies zu realisieren wurde ein Versuchsstand an die vorliegenden Systemdrücke angepasst und ein geeignetes Siedebehälterkonzept entwickelt. Als Arbeitsmittel wird Wasser in einem Systemdruckbereich zwischen 9 und 15 mbar betrachtet.

Die Analyse des Einflusses diverser Faserstrukturparameter und des Füllniveaus zeigt, dass sich der Bereich des Blasensiedens bei den angestrebten Übertemperaturen mit Metallfaserstrukturen realisieren lässt. Die Initiierung des Blasensiedens wird dabei maßgeblich vom Systemdruck und dem Füllniveau beeinflusst. Im Hinblick auf das Erreichen maximaler Wärmestromdichten und des optimalen Materialeinsatzes stellt sich heraus, dass ein Verdampfungsprozess anzustreben ist, bei dem sich der Kapillareffekt ausnutzen lässt. Die besten Ergebnisse werden während des Siedefalls der Kapillarfütterung erreicht. Hier werden vor allem bei geringeren Übertemperaturen deutlich höhere Übertragungsleistungen im Vergleich zur vollständigen Strukturflutung erzielt. Ihr Potenzial ist dabei bei weitem nicht ausgeschöpft.

Der Abgleich der Messergebnisse mit bekannten Korrelationen zur Vorhersage der Initiierung des Blasensiedens und für den Bereich des Blasensiedens liefert bei fast allen betrachteten Siedefällen keine Übereinstimmung. Im Fall der Kapillarfütterung wird im Bereich ohne Blasenbildung in einigen Fällen eine gute Übereinstimmung erreicht, doch werden auch maßgebliche Abweichungen während der Veränderung der Ausprägung der Mikrozonenbereiche beobachtet. Die erzielbare Übertragungsleistung wird in diesem Fall deutlich unterschätzt und offenbart den maßgeblichen Einfluss der Mikrozonenverdampfung am gesamten Wärmetransport.

Die Untersuchungen zeigen ferner, dass das Auftreten von Keimbildungshysteresen bei ihrem potenziellen Einsatz nicht zu erwarten ist. Außerdem zeigen die Ergebnisse eine nur geringfügige Veränderung des Messergebnisses bei der Betrachtung unterschiedlicher Oxidationsgrade des verwendeten Faserstrukturmaterials. Für ihren potenziellen Einsatz im Verdampfer ist demnach keine Veränderung der Übertragungsleistung – auch über einen längeren Zeitraum – zu erwarten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
With regard to the reduction of primary energy demand for heating and cooling the development of thermally driven absorption or adsorption chillers is pursued for several years. These machines use water as working fluid which evaporates in accordance with the operating conditions in a system pressure range between 7.6 and 20.7 mbar. As the development work show, the evaporator in ad-dition to the absorber or ad-sorber represents one of the key components for the cost-effective production, the reduction in the volume of construction and the optimization of the overall effi-ciency of these technologies. In this regard it is especially im-portant to improve the outer heat transfer between the evaporator wall and the working fluid due to the present low driving tempera-ture differences. Since evaporator concepts are as-pired that do not require a cir-culation pump for the working fluid, the present study focuses on possibilities to improve the heat transfer as they are present in pool boiling. The range of wall superheat that needs to be improved is given in accordance with the operating process of the machine up to a maximum of 7 K. Object of investigation is the efficient heat transfer by means of evaporation from metallic short fiber structures. High heat transfer rates are expected as these structures can utilize ca-pillary action in combination with micro-zone evaporation. Fur-thermore, the regime of nucleate boiling is expected to be reached at the given wall superheats due to their porous structure. The potential of these short fiber structures is analyzed using three different boiling cases. Firstly, the case of completely flooding of the fiber structure, secondly, the capillary-feeding and thirdly, the partial flooding of the fiber structure. A test rig was adapted to the present system pressures and a suitable boiling vessel concept has been developed. Water as working fluid is considered in a system pres-sure range between 9 and 15 mbar. Analyzing the influence of the various fiber structure parame-ters and the filling levels re-veals, that the range of nucleate boiling can be reached at the de-sired wall superheats with metal fiber structures. In doing so the initiation of nucleate boiling is significantly influenced both by the system pressure and the fill-ing level. In order to achieve maximum heat fluxes and the uti-lization of the optimal material it turns out that an evaporation process should be aimed for that exploits the capillary effect. The best results are achieved during the boiling case of capil-lary-feeding. Here, a considera-bly higher amount of heat is transferred in comparison to the complete flooding of the fiber structures especially at lower wall superheats. At the same time its potential is far from being exhausted. Comparing the measuring results with known correlations to pre-dict the initiation of nucleate boiling and for the range of nu-cleate boiling, they do not show any agreement for almost any of the considered boiling cases. For the boiling case of capillary-feeding a good agreement is achieved in some cases in the boiling regime without any bubble formation. However, substantial variations occur if the formation of micro-zone areas changes. In this case the achievable heat transfer rate is highly underes-timated and reveals the signifi-cant influence of the micro-zone evaporation to the overall heat transfer. The investigations further show that the appearance of nucleation hysteresis is not expected in the case of their potential use. Moreover, the results show only a slight change of the measurement result considering different de-grees of oxidation of the applied fiber structure material. Accord-ingly, for their potential use in the evaporator no change in heat transfer is expected even over a longer operation period.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 14 Apr 2016 08:23
Last Modified: 14 Apr 2016 14:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51268
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Luke, Prof. Dr. Andrea
Refereed: 20 October 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5126
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