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Strömungscharakteristika und Wärmeübertragung eines angeregten Fallfilms

Schröder, Timm (2019):
Strömungscharakteristika und Wärmeübertragung eines angeregten Fallfilms.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Fallfilme werden in vielen technischen Prozessen zur Kühlung, Kondensation und Verdampfung verwendet. Die Hydrodynamik und die Wärmeübertragung dieser welligen Flüssigkeitsfilme sind von Bedeutung zur Auslegung entsprechender Anlagen. In der Literatur wird die Hydrodynamik von dünnen Filmen an senkrechten Wänden ausführlich beschrieben. Dort wurde gezeigt, dass die Wellen des Films einen positiven Einfluss auf die Wärmeübertragung haben. Ausführliche Untersuchungen zum Einfluss der Anregungsfrequenz der Wellen sowie deren Amplitude auf den Wärmetransport des Films wurden jedoch bisher nicht hinreichend durchgeführt.

Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit gezielt der Einfluss der Wellenanregung auf die Wärmeübertragung untersucht. So soll für dieses Themengebiet eine fundierte Grundlage für folgende Arbeiten geschaffen werden. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit dem die Strömungscharakteristika und die Wärmeübertragung eines definiert periodisch angeregten Fallfilms hoch aufgelöst untersucht werden können. Mittels eines chromatisch-konfokalen Abstandsmesssystems wurde die Filmdicke erfasst und mit einem Kamerasystem die Filmoberfläche fotografiert und ausgewertet. Die Wärmeübertragung wurde mit Wandtemperaturmessungen analysiert.

Die durchgeführten Experimente wurden in einem weiten Parameterbereich mit den gezielt variierten Parametern Anregungsfrequenz sowie -amplitude, Fluidmassenstrom, Wärmestromdichte und Neigungswinkel der Fallwand durchgeführt. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich die Wellenformen abhängig von der Anregungsfrequenz entlang der Strömungsrichtung unterschiedlich entwickeln. Weiterhin hat die initiale Amplitude der periodischen Anregung, auf die in bisherigen Arbeiten nicht eingegangen wurde, einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung der Wellen. Zu den weiteren untersuchten Wellencharakteristika zählen die mittlere Filmdicke, die Wellenfrequenz, die Wellenmaxima sowie -minima, die Filmdickenverteilung, die Wellenlänge und -geschwindigkeit.

Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit extrapolierten bekannten Korrelationen lieferte keine ausreichende Übereinstimmung und die Parameter der Korrelationen wurden an die experimentellen Daten angepasst. Durch die Analysen der Wandtemperaturmessungen zeigte sich ebenfalls ein starker frequenzabhängiger Einfluss der Wellenanregung auf die Wärmeübertragung. In bestimmten Frequenzbereichen konnte der Wärmetransport verbessert werden. Diese Frequenzbereiche korrespondieren mit dem Auftreten ausgeprägter Wellenminima in der Filmströmung.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Schröder, Timm
Title: Strömungscharakteristika und Wärmeübertragung eines angeregten Fallfilms
Language: German
Abstract:

Fallfilme werden in vielen technischen Prozessen zur Kühlung, Kondensation und Verdampfung verwendet. Die Hydrodynamik und die Wärmeübertragung dieser welligen Flüssigkeitsfilme sind von Bedeutung zur Auslegung entsprechender Anlagen. In der Literatur wird die Hydrodynamik von dünnen Filmen an senkrechten Wänden ausführlich beschrieben. Dort wurde gezeigt, dass die Wellen des Films einen positiven Einfluss auf die Wärmeübertragung haben. Ausführliche Untersuchungen zum Einfluss der Anregungsfrequenz der Wellen sowie deren Amplitude auf den Wärmetransport des Films wurden jedoch bisher nicht hinreichend durchgeführt.

Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit gezielt der Einfluss der Wellenanregung auf die Wärmeübertragung untersucht. So soll für dieses Themengebiet eine fundierte Grundlage für folgende Arbeiten geschaffen werden. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit dem die Strömungscharakteristika und die Wärmeübertragung eines definiert periodisch angeregten Fallfilms hoch aufgelöst untersucht werden können. Mittels eines chromatisch-konfokalen Abstandsmesssystems wurde die Filmdicke erfasst und mit einem Kamerasystem die Filmoberfläche fotografiert und ausgewertet. Die Wärmeübertragung wurde mit Wandtemperaturmessungen analysiert.

Die durchgeführten Experimente wurden in einem weiten Parameterbereich mit den gezielt variierten Parametern Anregungsfrequenz sowie -amplitude, Fluidmassenstrom, Wärmestromdichte und Neigungswinkel der Fallwand durchgeführt. Zunächst konnte gezeigt werden, dass sich die Wellenformen abhängig von der Anregungsfrequenz entlang der Strömungsrichtung unterschiedlich entwickeln. Weiterhin hat die initiale Amplitude der periodischen Anregung, auf die in bisherigen Arbeiten nicht eingegangen wurde, einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung der Wellen. Zu den weiteren untersuchten Wellencharakteristika zählen die mittlere Filmdicke, die Wellenfrequenz, die Wellenmaxima sowie -minima, die Filmdickenverteilung, die Wellenlänge und -geschwindigkeit.

Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit extrapolierten bekannten Korrelationen lieferte keine ausreichende Übereinstimmung und die Parameter der Korrelationen wurden an die experimentellen Daten angepasst. Durch die Analysen der Wandtemperaturmessungen zeigte sich ebenfalls ein starker frequenzabhängiger Einfluss der Wellenanregung auf die Wärmeübertragung. In bestimmten Frequenzbereichen konnte der Wärmetransport verbessert werden. Diese Frequenzbereiche korrespondieren mit dem Auftreten ausgeprägter Wellenminima in der Filmströmung.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Interfacial Transport & Complex Wetting
Date Deposited: 09 Jun 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8742
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-87427
Referees: Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana and Stephan, Prof. Dr. Peter and Kenig, Prof. Dr. Eugeny
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 April 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Falling films are used in many technical processes for cooling, condensation and evaporation. The hydrodynamics and the heat transfer of these wavy liquid films are important for the design of machines. The literature describes the hydrodynamics of thin films on vertical walls in detail, revealing that the waves of the film have a positive impact on the heat transfer. However, extensive studies on the impact of the stimulation frequency of the waves and their amplitude on the heat transfer of the film have not yet been sufficiently performed.

Due to this, the present work investigated the influence of wave stimulation on heat transfer. Thus, a solid basis for following work was created for this topic. For this purpose, a test stand was set up with which the flow characteristics and the heat transfer of a defined, periodically stimulated falling film can be investigated in a high-resolution manner. The film thickness was recorded with a chromatic-confocal distance measuring system and the film surface was photographed and evaluated with a camera system. The heat transfer was analyzed with wall temperature measurements.

The experiments were carried out in a wide parameter range with the specifically varied parameters frequency and amplitude of stimulation, as well as mass flow, heat flux and angle of inclination of the wall. First, it was shown that the wave forms develop depending on the stimulation frequency along the flow direction. The amplitude of the periodic stimulation, which was not analyzed in previous work, has a significant impact on the development of the waves. The other investigated wave characteristics include the average film thickness, the wave frequency, the wave maxima and minima, the film thickness distribution, the wavelength and velocity.

A comparison of the experimental results with extrapolated correlations did not provide a sufficient agreement and the parameters of the correlations were adapted to the experimental data. The analysis of the wall temperature measurements also revealed a strong frequency-dependent influence of the wave stimulation on the heat transfer. In certain frequency ranges, the heat transfer could be improved. These frequency ranges correspond to the occurrence of pronounced wave minima in the film flow.

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