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Main Title: Systematische Untersuchung der kritischen Wärmestromdichte beim Strömungssieden von Wasser in lotrechten Kreisrohren mit und ohne poröser Beschichtung
Translated Title: Systematical investigation of critical heat fluxes in flow boiling experiments with water in tubes with and without porous coated surfaces
Author(s): Stein, Michael
Advisor(s): Bartsch, Gerhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wurde der Einfluß poröser Heizflächenbeschichtung auf die kritische Wärmestromdichte (CHF) in lotrechten, direkt beheizten Kreisrohren im Bereich niedriger Massenstromdichten (25 300 kg/m2s) und Drücken (0,12 0,7 MPa) sowie variierter Eintrittsunterkühlungen (15 50 K) systematisch untersucht. Durch geeignete Parametervariation wurden die Strömungsregime des wahren und scheinbaren DNB sowie die Bereiche des Grenzdampfgebietes und Microfilm-Dryout erreicht. Für die Untersuchungen standen zwei glatte und vier innen porös beschichtete Teststrecken zur Verfügung. Alle Rohre und Beschichtungen wurden aus Inconel-600 gefertigt. Drei Rohre hatten eine Länge von 127 mm und drei Rohre waren 450 mm lang. Der Innendurchmesser betrug bei allen Rohren 9 mm. Die Rohre mit der gleichen Länge unterschieden sich in den Parametern der Beschichtung. Verwendete Korndurchmesser waren 30 40 µm sowie 60 80 µm bei einer Schichtdicke von 300 µm und einer Porosität von 60 70 %. Bei Rohren mit poröser Innenbeschichtung verschieben sich die Bereiche der Strömungsregime in Abhängigkeit von den Beschichtungsparametern der porösen Schicht gegenüber glatt bei sonst gleichen Bedingungen. Diese Veränderung des Strömungszustandes führt zu einer Abnahme oder Erhöhung der kritischen Wärmestromdichte gegenüber dem glatten Rohr. Für das Strömungsregime des DNB wurde ein positiver Effekt von bis zu 72 % bei poröser Beschichtung beobachtet. Im Bereich des Grenzdampfgebietes wurde in Abhängigkeit von der Rohrgeometrie eine Verbesserung von bis zu 58 % aber auch eine Abnahme der kritischen Wärmestromdichte um bis zu 40 % beobachtet. Die maximale Verbesserung der kritischen Wärmestromdichte in dieser Arbeit von 80 % zeigte sich, wenn infolge poröser Beschichtung ein Wechsel des Strömungsregimes des Grenzdampfgebietes in den DNB verhindert wurde. Im Microfilm-Dryout zeigte sich dagegen kein Einfluß poröser Beschichtungen auf die CHF. Weiterführende physikalische Erklärungen für den Einfluß poröser Beschichtungen auf die kritische Wärmestromdichte werden gegeben. Der Autor erklärt die Verbesserung der CHF bei poröser Beschichtung durch die Erhöhung der Keimstellendichte bei kleineren Blasen und erhöhter Blasenfrequenz sowie durch eine verbesserte Versorgung der Heizfläche mit Flüssigkeit in der porösen Beschichtung durch Kapillarkräfte. Im Bereich des Grenzdampfgebietes kann in Abhängigkeit von der Rohrgeometrie ein zweiter negativer Effekt diesen positiven Effekt überlagern. Durch poröse Beschichtung kann das Entrainment im Bereich der Ringströmung erhöht werden, was zu einer Abnahme der Flüssigkeitsfilmdicke und damit zu einer früheren Austrocknung der Heizfläche führt. Für die genaue Vorhersage der kritischen Wärmestromdichte wurde eine neue Korrelation für glatte sowie für porös beschichtete Rohre entwickelt. Die unterschiedlichen Strömungsformen DNB und Dryout wurden hierbei berücksichtigt. Über eine neu entwickelte Berechnungslogik kann die jeweilige Strömungsform erkannt und die für diese Strömungsform gültige Berechnungsgleichung angewandt und die CHF sicher bestimmt werden.
Critical heat flux (CHF) is studied systematicaly in vertical tubes heated directly and inside cooled with upflow water at low pressure (0,12 0,7 MPa) with subcoolings up to 50 K. The experiments are carried out under the same conditions both with porous coated tubes and smooth tubes to understand the effect of porous coating on the CHF. For this, two smooth tubes and four tubes prepared with a innerside porous coating layer were used. All the tubes and all the porous coatings are made from Inconell-600. Three tubes of them had a length of 127 mm and the other three tubes were 450 mm long. The internal diameter of all tubes amount 9 mm. The tubes with the same length distinguish in the parameters of the porous coatings. Two different porous coatings will be used. The first have a size of the particle of 30 40 µm and a layer thickness of 300 µm by a porosity of 60 70 % and the second have a size of the particle of 60 80 µm and have the same layer thickness and porosity like the first. The experiments with the tubes are 127 mm long are carried out at mass flow rates between 25 300 kg/m2s. The measurements with the tubes are 450 mm long are carried out at mass flow rates between 25 175 kg/m2s. Through variation the flow parameters the CHF mechanismen depature of nucleate boiling (DNB), the limiting quality phenomenom and the microfilm dryout are reached. It is shown that the influence of porous coating on critical heat flux can be negative or positive. In the flow regime of DNB an enhacement of 72 % was observed. In the case of limiting quality phenomenom the critical heat flux was enhanced up to +58 % using the tubes 127 mm long and decreased up to 40 % using the tubes 450 mm long depends on the parameters of porous coating. A maximum enhancement of the critical heat flux up to 80 % is observed by using the partical diameter 30 40 µm when under certain experimental conditions the CHF mechanisms change. In the flow regime of microfilm dryout no influence of porous coatings are recognize. Thus different effects of porous coating on the critical heat flux are analyzed to predict the CHF mechanisms and the CHF. The enhancement of CHF is explained by increasing the density of centren of creation bubbles, so more bubbles with smaller diameter and a better supply of lequid inside of porous coating by capillarit enhance the heat transfer. In case of limiting quality phenomenom (annular flow) a secondary effect of porous coatings on the CHF be added depending on length of the tubes. Through that increase of the entrainment of droplet follows one decrease of thickness of the lequid film on the wall and the heating surface became earlier dryout. For predicting the critical heat flux new equations for smooth tubes and tubes with innerside porous coating were developed. For high accurancy the different CHF mechanisms DNB, limiting quality phenomenom and microfilm dryout are taken into consideration.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9237
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1320
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1023
Exam Date: 13-Apr-2004
Issue Date: 9-Sep-2004
Date Available: 9-Sep-2004
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Kritische Wärmestromdichte
Poröse Beschichtung
Strömungssieden
Verbesserung des Wärmeübergangs
Critical heat flux
Enhancement of heat transfer
Flow boiling
Porous coating
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