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Partielle Rücklaufkondensation von Reinstoffen und Gemischen in engen, geneigten Kanälen mit rundem und rechteckigem Querschnitt
Klahm, Thorsten
Bei der partiellen Rückflusskondensation strömt der Dampf in einem geneigten gekühlten Kanal von unten ein und das sich an den Wänden bildende Kondensat fließt ihm entgegen. Diese Art der Gegenstromkondensation bewirkt bei Gemischen eine Trennung der Komponenten. Die geringe Unterkühlung des Kondensats und der geringe Installationsaufwand wirken sich auch bei Reinstoffen positiv aus. Es kann allerdings zum Aufstauen des Kondensats und auch zur Strömungsumkehr kommen, die die Anwendbarkeit der Rückflusskondensation beschränkt. Ziel der Arbeit ist es die physikalischen Mechanismen der Wärmeübertragung zu identifizieren und zu analysieren. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen mit den Kältemitteln R134a, R123 und Wasser im Rohr mit dem Durchmesser 7mm und in rechteckigen Kanälen mit hydraulischen Durchmessern von 7mm und 3,5mm durchgeführt.
Die Reinstoffkondensation und die Kondensation eines Gemisches aus gleichen Anteilen R134a und R123 wurde analytisch untersucht und mittels eines numerischen Modells berechnet. Der Vergleich zwischen Experiment und Simulation ergab wichtige Hinweise auf die Mechanismen der Wärmeübertragung im geneigten Kanal. Die Ergebnisse zeigten unter anderem, dass der Wärmeübergangskoeffizient im geneigten Kanal in den Untersuchungen immer größer war als im senkrechten. Bei Reinstoffen liegen die Wärmeübergangskoeffizienten im Rechteckkanal bei gleicher Kondensatreynoldszahl um 50% höher als im Rohr mit dem gleichen hydraulischen Durchmesser. Für das Fluten wurde eine ähnliche Überlegenheit des Rechteckkanals nachgewiesen. Bei der Gemischkondensation spielt der konvektive Transport zur Phasengrenzfläche eine entscheidende Rolle. Der Rechteckkanal war der Rohrgeometrie hinsichtlich des Wärmeübergangs unterlegen. Die Simulation der Gemischkondensation zeigte, dass Teile des Kanals durch den Wärmeübergang im Kondensatfilm und andere Teile durch den Wärmeübergang vom Dampf an die Phasengrenzfläche dominiert werden. Die geneigte Anordnung hat bei der Gemischkondensation einen wesentlich geringere Verbesserung des Wärmetransports zur Folge als bei der Reinstoffkondensation.
Steam enters a cooled, inclined channel at the bottom end and condensate forms at the walls and flows downward. This kind of countercurrent steam-condensate flow causes a separation of fluid components which is beneficial in separation processes. Advantages are also low subcooling of the condensate and simple installation. Steam velocities which cause the channel to flood with condensate has to be avoided to maintain the reflux mode, this restricts the use of reflux condensation. The aim of this work is to shed some more light on the physical mechanisms of reflux condensation. Experimental investigations with refrigerants R134a, R123 and water inside a tube of 7mm diameter and rectangular channels of hydraulic diameter 7mm and 3,5mm were carried out.
Pure fluid condensation of R134a and condensation of a mixture of equal parts of R134a and R123 were investigated numerically. The comparison of experiments and simulation gave insight into the mechanisms of heat transfer. The results show that the heat transfer coefficient of the inclined channel is always bigger than that of the vertical channel. Heat transfer coefficients of pure components show 50% higher values in the rectangular channel compared to the tube with same hydraulic diameter. Flooding in rectangular channels is retarded compared to the tube which is also desirable. Mixture condensation on the other hand is governed by convective heat transfer from the gas to the film surface. The rectangular channel at the same hydraulic diameter shows lower heat transfer coefficients in this case. The simulation of the mixture condensation showed that one part of the channel was governed by heat transfer through the condensate film and the other part by convective transport in the gas. The improvement of mixture heat transfer rates due to the inclination is much less than in pure fluid condensation.
