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Messung zur Hydrodynamik und zum Wärmetransport bei der Filmverdampfung

Helbig, Klaus :
Messung zur Hydrodynamik und zum Wärmetransport bei der Filmverdampfung.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Messung zur Hydrodynamik und zum Wärmetransport bei der Filmverdampfung
Language: German
Abstract:

In vielen technischen Anwendungen werden Flüssigkeitsfilme verdampft oder verdunstet. Fallfilmverdampfer sind in der Verfahrenstechnik weit verbreitet. Trotz der vielen Anwendungen ist noch wenig über die Wärme- und Stofftransportmechanismen bei welligen Flüssigkeitsfilmen bekannt. Ziel der Untersuchung war es, das grundlegende Verständnis von der Filmströmung und der Filmverdampfung zu erweitern. Die Ergebnisse der Arbeit können als Grundlage zur Validierung neu zu erarbeitender mathematischer Modelle genutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsstand zur Untersuchung der Hydrodynamik von isothermen, verdampfenden und verdunstenden welligen Flüssigkeitsfilmen und gasseitig schubspannungsgetriebenen Filmen aufgebaut. Ein Vergleich verschiedener Film- und Wellenparameter wurde auf der Außenseite einer unstrukturierten Rohroberfläche und einer mit dreieckigen Längsrillen strukturierten Rohroberfläche durchgeführt, auf denen der Flüssigkeitsfilm strömte. Diese Oberflächen-strukturen wurden bei den Versuchen eingesetzt, da theoretische Untersuchungen eine Stabilisierung der Filmströmung und eine Verbesserung des Wärmetransports vermuten ließen. Für die hydrodynamischen Untersuchungen wurden mittels einer entwickelten Bildverarbeitung und daran anschließender Auswertealgorithmen folgende charakteristische Film- und Wellenparameter berechnet: Filmdicke, Wellenamplitude, Wellengeschwindigkeit, Wellen- und Periodenlänge, Wellenfrequenz und Oberflächenverhältnis. Weiterhin wurden verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der Filmdicken und Filmstrukturen erprobt. Zeit- und ortssynchrone Messungen der Filmdicke durch zwei physikalisch unterschiedliche Messmethoden ergaben in breiten Reynolds-Zahlenbereichen eine sehr hohe Übereinstimmung. Korrelationen für die gemessenen Filmdicken und Wellengeschwindigkeiten an der unstrukturierten und strukturierten Rohroberfläche wurden erarbeitet. Die Messergebnisse der mittleren Filmdicken für die unstrukturierte Rohroberfläche stimmen mit den Ergebnissen anderer Autoren in hohem Maße überein. Messungen des Wärmetransports fanden an beheizten Wänden mit und ohne Gasströmung bei verschiedenen Temperaturen der Wand, der Gas- und der Flüssigkeitsströmung bei verschiedenen Systemdrücken statt. Dabei verdunstete oder verdampfte der Flüssigkeitsfilm teilweise. Bei der verwendeten Wandstruktur zeigte sich ein erhöhter Wärmetransport, der insbesondere bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten auftrat. Im Vergleich zur unstrukturierten Rohroberfläche nahm der Anteil des Basisfilms an der gesamten Filmströmung zu. Dabei konnte eine bis zu 40 % höhere Wärmestromdichte gemessen werden, die auf den größeren Anteil des dünnen Basisfilms zurückgeführt wird. Die Verdampfung oder Verdunstung des welligen Films wird durch Vergrößerung der freien Oberfläche, zunehmende Turbulenz durch die Gasströmung und Bereiche dünner Filme zwischen den Wellenbergen begünstigt. Der Wärmetransport war bei hohen Gasgeschwindigkeiten bei den unstrukturierten Rohroberflächen größer als bei den strukturierten. Dieser Effekt wird auf die größere Turbulenz im welligen Film und die größere Filmoberfläche zurückgeführt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In many technical applications, liquid films are evaporated from solid surfaces. Falling film evaporators are very common in process engineering. Despite many applications, there is still little knowledge about the heat and mass transfer mechanisms wavy liquid films. A goal of the investigation was to extend the fundamental understanding of the film flow and the film evaporation. The results of the investigation can be used as a basis for validation of future mathematical models. In the framework of this work, a test set-up was developed for the investigation of hydrodynamics of isothermal, evaporating, and gas shear -driven wavy liquid films. A comparison of different film and wave parameters was done on the exterior of an unstructured and structured tube surface, on which the liquid film flowed. The surface structure consisted of triangular longitudinal grooves. These structures have been used, since theoretical investigations predicted a stabilization of the film flow and an improvement of the heat transport. For the hydrodynamic investigations the following characteristic film and wave parameters were computed by means of a developed image processing algorithms: film thickness, wave amplitude, wave velocity, wave and period length, wave frequency and surface ratio. Furthermore different measurement methods were tested for the determination of the film thicknesses and the film structures. At the same time and the same locations, measurements of the film thickness were performed with two physically different measurement methods. The results agreed very well within broad range of Reynolds number. Correlations for the measured film thicknesses and wave velocities at the unstructured and structured tube surface were computed. The results of the measurement of the average film thicknesses for the unstructured tube surface agree with the results of other authors to a considerable degree. Measurements of the heat transfer were conducted at heated walls, with and without gas flow, at different temperatures of the wall, the gas and the liquid flow at different system pressures. The liquid film was partly evaporated. It was shown, that the used wall structure leads to the heat transport intensification, which arose in particular at low gas velocity. In comparison to the unstructured tube surface, the fraction of the basis film of the entire film flow increased. An increase in heat flux up to 40 % could be measured, which was attributed to the larger fraction of the thin basis film. The evaporation of the wavy film is promoted by enlargement of the free surface, increasing turbulence of the gas flow and areas of thin films between the wave crests. The heat transport was higher at high gas velocities for the unstructured tube surface than for the structured one. This effect is a result of the larger turbulence in the wavy film and the larger film surface.English
Uncontrolled Keywords: Strukturierte Oberflächen, wellige Strömung, Wellen, Filmdynamik
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Strukturierte Oberflächen, wellige Strömung, Wellen, FilmdynamikGerman
Film evaporation, wavy thin films, film dynamic,English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000867
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8674
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Janicka, Prof. Dr.- Johannes and Gambaryan-Roisman, Dr.-Ing. Tatiana
Advisors: Stephan, Prof. Dr.- Peter
Refereed: 3 July 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/867
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