Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-964
Main Title: Experimentelle Untersuchung des Einflusses von porös beschichteten Heizflächen auf vollständige Siedekennlinien von aufwärts strömendem Wasser im einseitig beheizten Rechteckkanal
Translated Title: Experimental investigation of the influence of porous coated heating surfaces on complete boiling curves from up-flowing water in a single-heated rectangular channel
Author(s): Goldschmidt, Robert
Advisor(s): Bartsch, Gerhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Verbesserung des Wärmeübergangs beim Sieden von Wasser unter erzwungener Konvektion spielt in technischen Anwendungen unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit und platzsparenden Bauweise von technischen Anlagen zur Kühlung und Dampferzeugung eine wichtige Rolle. Eine der effektivsten Methoden zur Erhöhung des Wärmeübergangs ist das Aufbringen von aufgesinterten porösen Beschichtungen auf die Heizfläche, wodurch die wärmeübertragende Oberfläche aber auch die Anzahl der Dampfblasenkeime vergrößert wird. In dieser Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen an einem Siedeversuchstand durchgeführt, der es aufgrund einer speziellen Temperaturregelung ermöglicht, alle Wärmeübergangsmechanismen des Siedens messtechnisch zu erfassen. Die Versuche wurden im einseitig beheizten Rechteckkanal unter Atmosphärendruck und erzwungener Konvektion von Wasser bei Massenstromdichten von 25-200 kg/m² s und Eintrittsunterkühlungen von 3-15 K durchgeführt. Es wurden eine Referenztestsektion mit glatter Heizoberfläche und fünf Teststrecken mit unterschiedlich porös beschichteten Heizflächen verwendet. Durch eine sinnvolle Variation von Strömungs- und Beschichtungsparametern wurden in dieser Arbeit erstmals Messungen von kompletten Siedekennlinien beim Strömungssieden von Wasser an porös beschichteten Heizflächen systematisch durchgeführt. Für weitere Untersuchungen der Siedephänomene wurde die Temperaturschwankung an der Heizfläche aufgenommen sowie die Vorgänge an der Heizfläche fotografisch dokumentiert und in direkter Bezugnahme auf die ermittelten Siedekennlinien ausgewertet. Die Ergebnisse werden in einer Übersichtsmatrix dargestellt mit dem Ziel, dem Anwender u.a. die Verbesserungsfaktoren der Wärmeübergangskoeffizienten für ausgewählte Punkte der Siedekennlinie bei konstanter Wandüberhitzung in den auftretenden Wärmeübergangsphänomenen wie Blasensieden, kritischer Punkt sowie partielles und stabiles Filmsieden für jede verwendete poröse Beschichtung zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse zeigen im Vergleich der porös beschichteten zur glatten Referenzheizfläche bei identischen Strömungsparametern zumeist eine Verbesserung des Wärmeübergangs in allen Bereichen der Siedekennlinie. Dünnere Beschichtungen führen zu einer Intensivierung des Wärmeübergangs im Bereich des Blasensiedens, während die dickeren Beschichtungen insbesondere die kritische Wärmestromdichte und den postkritischen Wärmeübergang erhöhen. Die Startüberhitzung für das Blasensieden wurde durch den Einsatz beschichteter Heizflächen etwa halbiert. Die maximale Erhöhung der kritischen Wärmestromdichte betrug beim Einsatz der dicksten Beschichtung nahezu 70 % bei einer gleichzeitigen Erhöhung der kritischen Wandtemperatur um mehr als 100 %. Die Beschichtung mit der größten Schichtdicke führte etwa zu einer Verdoppelung der Leidenfrosttemperatur. Die in vorherigen Untersuchungen zum Strömungssieden an glatten Heizflächen beschriebene Nichtexistenz einer Hysterese im Bereich des stationären Übergangssiedens konnte mit dieser Arbeit bestätigt werden.
Enhancement of boiling heat transfer under forced convection of water is important for an economical and space-saving construction of technical plants e.g. for cooling and steam generation. An effective method for increasing heat transfer is given by sintered porous coatings on the heating surface which leads to a higher number of nucleation centres. In this thesis the different mechanisms of boiling heat transfer could be realized by measuring temperature regulated boiling curves under stationary conditions. The experiments were carried out under atmospheric pressure and forced convection of water (mass flow rate 25-200 kg/m² s und subcooling 3-15 K) in a test section with smooth and test sections with porous coated heating surfaces. Further examinations of the boiling peculiarities were realized by measuring temperature fluctuations and photographic documentations of the heating surface. An overall view of each porous coating is given in a result matrix which shows the enhancement factors for heat transfer coefficients of important points of the complete boiling curve like onset of nucleate boiling (ONB), the critical and the Leidenfrost-point. Heat transfer coefficients at constant wall temperatures for nucleate boiling, transition and film boiling are also shown in the matrix. In comparison to the smooth test section the results show for the most part an enhancement of heat transfer in all areas of the boiling curve. Thinner porous layers lead to an increase of heat transfer at nucleate boiling, thicker layers raise critical heat flux (CHF) and heat transfer in the post critical region. ONB will be reduced up to 50 % by all utilized porous coatings. CHF was enhanced up to 70 % with an simultaneous increase of critical wall superheat of 100 %. The thickest porous layer doubles the Leidenfrost-temperature. In the case of a stationary heating and cooling process no hysteresis in the area of transition boiling was measured.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-8646
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1261
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-964
Exam Date: 15-Nov-2004
Issue Date: 17-Dec-2004
Date Available: 17-Dec-2004
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Blasensieden
Erzwungene Konvektion
Filmsieden
Hys
Leidenfrost
Poröse Beschichtungen
Sieden
Übergangssieden
Verbesserung des Wärmeübergangs
Boiling
Enhancement of heat transfer
Film boiling
Forced convection
Hysteresis
Leidenfrost
Nucleate boiling
Porous coating
Transition boiling
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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