Schydlo, Alexander (2010)
Reifbildung und -wachstum auf gekühlten Rohroberflächen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das physikalische Phänomen der Reifbildung ist sehr oft in der alltäglichen und industriellen Umgebung zu beobachten. In den meisten Fällen der industriellen Praxis ist die entstehende Reifschicht unerwünscht und hat einen negativen Einfluss auf den Betriebszustand der Anlage durch Verschlechterung der Wärmeübergang zwischen der umgebenden feuchten Luft und gekühlten wärmeübertragenden Oberflächen. Bei Kälteanlagen verringert der Reif die Kälteleistung der Anlage, und erhöht damit Exergieverluste und Betriebskosten. Darüber hinaus reduziert die entstehende Reifschicht in Luftkanälen den Strömungsquerschnitt für die durchströmende feuchte Luft und vergrößert zugleich Durchflusswiderstände und Druckverluste. In vielen Publikationen bildet die Reifdichte eine zentrale Größe, welche den Einfluss der variierenden Parameter auf die Eigenschaften der Reifstruktur beinhaltet. Die Wärmeleitfähigkeit der porösen Reifstruktur wird sehr oft in der Literatur als Funktion der Dichte gegeben. Die vorhandene Fachliteratur umfasst jedoch keine vollständige Parameterstudie, welche den Einfluss von allen möglichen physikalischen Größen auf die wichtigsten Reifparametern enthält. Darüber hinaus wurden in nur wenigen Publikationen experimentelle Ergebnisse der Reifbildung auf gekühlten Rohroberflächen diskutiert. Aus diesen Feststellungen lässt sich als Ziel der vorliegenden Arbeit ableiten, möglichst tiefgehende experimentelle Untersuchungen der Reifbildung auf Rohroberfläche durchzuführen und dann entsprechende Korrelationsgleichungen für die Reifstruktur herzuleiten. Das experimentelle Versuchsprogramm umfasst eine Einflussanalyse von folgenden variierenden Parametern auf die Reifstruktur: Lufttemperatur und -feuchtigkeit, Substratoberflächentemperatur, Reynoldszahl, Struktur (hydrophile und hydrophobe Oberflächen) sowie Rauheit der Substratoberfläche, Geometrie des Kanals und des Versuchskörpers. Folgende physikalische Größen wurden rechnerisch ermittelt: Masse und Massenstrom des kondensierten Dampfes, Gesamtwärmestrom, mittlere Reifdichte, und Reifwachstumsgeschwindigkeit. In der Versuchsanlage wurde die aus der Umgebung angesaugte feuchte Luft temperiert und der Messsektion zugeführt. Hier wurde auf einem quer zur Strömungsrichtung eingebauten, gekühlten Rohr die Reifbildung verfolgt. Unter Verwendung einer optischen Messmethode (CCD Kamera) wurde das Reifprofil auf der Rohroberfläche von der Stirnseite des Rohres rekonstruiert und das Reifvolumen berechnet. Die Versuchsergebnisse wurden in der vorliegenden Arbeit in graphischer Form dargestellt und diskutiert. Für steigende relative Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, ausgedrückt über die Reynoldszahl am Einlauf zum Kanal und Lufttemperatur nimmt die Masse des kondensierenden Wasserdampfs und die mittlere Reifdichte zu. Die Abnahme der Substratoberflächentemperatur vergrößert die treibende Kraft des Wärmeübertragungsprozesses, d.h. die Geschwindigkeit der Keimbildung und der Tropfenerstarrung nimmt zu. Die mittlere Reifdichte steigt mit abnehmender Temperatur des Versuchskörpers. Für rauhe und hydrophobe Oberflächen nimmt die mittlere Reifdichte ab. Aufgrund besserer Wärmeübertragung (Flüssigkeit - Substratoberfläche) erstarren die auf der gekühlten rauen Oberfläche kondensierenden und wachsenden Tropfen schneller und bilden eine isolierende Schicht. Dies führt zur Entwicklung einer Reifstruktur mit höherer Porosität, welche stärker den Gesamtwärmestrom reduziert und den Kondensationsprozess hemmt. Im Folgenden wurden für praktische Anwendungen Korrelationsgleichungen hergeleitet. Die Werte der mittleren Reifdichte und der Masse des auf der Substratoberfläche kondensierenden Dampfs wurden für alle untersuchten variierenden Parameter korreliert. Dies ermöglicht entweder eine direkte Berechnung der mittleren Reifdichte oder die Berechnung der Masse des Kondensates und für ein gegebenes Reifvolumen die Ermittlung der Reifdichte. Mit Hilfe der Korrelationsgleichungen und ihrer graphischen Darstellungen wird eine einfache und schnelle Berechnung der gesuchten unbekannten Werte möglich.

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