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Visualization, measurement, and modelling of adiabatic gas-liquid flow in a cross-corrugated plate heat exchanger channel

Buscher, Susanne

Plate heat exchangers are increasingly employed as evaporators, condensers, absorbers, or desorbers. Detailed knowledge about the two-phase flow in the heat exchanger is required to model and predict the heat and mass transfer, and pressure drop. In this work, adiabatic gas-liquid flow in a cross-corrugated plate heat exchanger channel is investigated using three different methods: Photographs are visually analyzed to identify flow patterns and to model flow pattern transitions. In addition, using digital image processing, a new approach to measuring features in the photographs and quantifying the differences is tested. Moreover, the two-phase pressure drop is measured and interpreted in relation to the flow patterns. The combined approaches show how buoyancy and centrifugal force affect the uniformly and non-uniformly distributed two-phase flow in a cross-corrugated channel. Adiabatic air-water mixtures are visualized in a single transparent cross-corrugated channel which is rotatably mounted to allow different flow directions, i. e. to switch between horizontal, upward, and downward flow. Gas and liquid are injected directly into the channel via multiple nozzles. By varying the number of nozzles, a uniform or non-uniform gas-liquid distribution is achieved. Flow pattern maps are obtained for all three flow directions from photographs of the uniform gas-liquid distribution. The maps are very similar, except for the flow patterns at low superficial velocities of both gas and liquid. To explain these results, the corrugation Froude number is introduced as the ratio between the centrifugal force, which is induced by the wavy flow path, and the buoyancy force. To model the flow pattern transitions, published models for two-phase pipe flow are adapted to the cross-corrugated channel and own approaches are introduced. The pressure drop is measured for both uniform and non-uniform gas injection, and for all three flow directions. The two-phase friction factors are compared between the different flow directions and gas injection types and with the single-phase friction factor. With this method, and using the findings from the flow pattern analysis, homogeneous flow is shown to exist if both the corrugation Froude number is greater than unity and the void fraction is less than 0.7 for uniform two-phase distribution and less than 0.25 for non-uniform two-phase distribution. The actual void fractions are determined from the pressure measurement data and used to evaluate void fraction models from literature. In general, the gas-liquid maldistribution has a greater effect on pressure drop, void fraction, and slip than the flow direction, due to the centrifugal force which is greater than buoyancy in most cases. Digital image analysis is used to complement the results of conventional flow pattern analysis and pressure drop measurement with a new approach: Key features are measured in the high-resolution photographs of uniform and non-uniform two-phase distribution, such as the mean bubble size, the amount of local film flow, and the extent of gas-liquid distribution across the channel width. The results are compared quantitatively for the different flow directions and two-phase distributions. This method is applied unchanged to all photographs displaying a broad spectrum of flow patterns. It is suitable for locally inhomogeneous or fluctuating two-phase flows which are difficult to analyze visually with the traditional flow pattern approach. Since the algorithm does not rely on subjective definitions or classifications of flow patterns, the results are considered objective and reproducible. However, for a few two-phase phenomena, uncertainty analysis and comparison with flow pattern maps from visual analysis reveal large measurement errors or bias of the algorithm. Therefore, without improving the algorithm, the measurement results obtained by this method need to be validated visually. Nonetheless, the results of this image processing algorithm are consistent with previous findings and add significant new evidence, e. g., for the onset of slip determined from pressure drop measurement, for the applicability of the maximum bubble size model, and for the role of the centrifugal force.
Plattenwärmeübertrager werden häufig als Verdampfer, Kondensatoren, Absorber oder Desorber eingesetzt. Für die Modellierung und Vorhersage des Wärme- und Stofftransports sowie des Druckverlusts im Wärmeübertrager ist ein detailliertes Verständnis der dort vorherrschenden Zweiphasenströmung erforderlich. In dieser Arbeit wird die adiabate Gas-Flüssigkeitsströmung im Kanal eines kreuzgewellten Plattenwärmeübertragers mit Hilfe von drei Methoden untersucht: Fotos der Zweiphasenströmung werden visuell ausgewertet, um Strömungsformen zu bestimmen und die Übergänge zwischen den Strömungsformen zu modellieren. Außerdem werden die Fotos mit einem neuen, auf digitaler Bildverarbeitung basierenden Ansatz analysiert, bei dem die Merkmale verschiedener Zweiphasenphänomene in den Bildern gemessen und Unterschiede quantifiziert werden. Darüber hinaus wird der Druckverlust der Zweiphasenströmung gemessen und in Kombination mit den identifizierten Strömungsformen interpretiert. Die verschiedenen Ansätze zeigen in der Zusammenschau, wie der Auftrieb und die Zentrifugalkraft die Zweiphasenströmung beeinflussen. Das adiabate Luft-Wasser-Gemisch wird in einem transparenten, kreuzgewellten Einzelkanal visualisiert, welcher drehbar gelagert ist, um zwischen horizontaler sowie vertikal aufwärts und abwärts gerichteter Strömung zu variieren. Gas und Flüssigkeit werden über mehrere Düsen in den Kanal eingebracht. Durch Variation der Düsenanzahl für die Gasphase wird eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Gas-Flüssigkeits-Verteilung erreicht. Nur die Fotos der gleichmäßig verteilten Gas-Flüssigkeits-Strömung werden visuell bezüglich der Strömungsformen ausgewertet. Die ermittelten Strömungsformen-Karten sind für alle drei Strömungsrichtungen sehr ähnlich, außer bei niedrigen Leerrohrgeschwindigkeiten von sowohl Gas- als auch von Flüssigphase. Zur Erklärung dieser Ergebnisse wird die Wellen-Froude-Zahl als Verhältnis zwischen der Zentrifugalkraft, die aufgrund der wellenförmigen Strömungspfade auftritt, und der Auftriebskraft eingeführt. Zur Modellierung der Übergänge zwischen den Strömungsformen werden Modelle aus der Literatur für die Zweiphasenströmung in Rohren auf den kreuzgewellten Kanal angepasst und zusätzlich eigene Modellannahmen hinzugefügt. Der Druckverlust wird sowohl bei gleichmäßiger als auch bei ungleichmäßiger Gas-Flüssigkeits-Verteilung für alle drei Strömungsrichtungen gemessen. Die Widerstandsbeiwerte der Zweiphasenströmung werden einerseits für die verschiedenen Strömungsrichtungen und Gas-Flüssigkeits-Verteilungen sowie andererseits mit dem Widerstandsbeiwert der einphasigen Strömung verglichen. Mit dieser Methode und mit Hilfe der Erkenntnisse aus der visuellen Strömungsformen-Analyse wird gezeigt, dass das homogene Modell für die Zweiphasenströmung zutrifft, wenn die Wellen-Froude-Zahl größer als eins ist und gleichzeitig der Strömungsgasgehalt bei gleichmäßiger Gas-Flüssigkeits-Verteilung kleiner als 0,7 bzw. bei ungleichmäßiger Verteilung kleiner als 0,25 ist. Die tatsächlichen Gasgehalte werden aus den Druckverlustmessungen ermittelt und zur Bewertung von verschiedenen Modellen für Gasgehalte aus der Literatur verwendet. Grundsätzlich hat die ungleichmäßige Verteilung von Gas- und Flüssigphase über die Kanalbreite einen größeren Einfluss auf Druckverlust, Gasgehalt und den Schlupf als die Strömungsrichtung, was auf die Wirkung der Zentrifugalkraft zurückzuführen ist, die in den meisten Fällen größer als die Auftriebskraft ist. Die computergestützte Bildauswertung wird eingesetzt, um die Ergebnisse der verbreiteten visuellen Strömungsformen-Analyse und Druckverlustmessung durch einen neuen Ansatz zu ergänzen: In den hochauflösenden Fotos der gleichmäßig und ungleichmäßig über den Kanal verteilten Gas-Flüssigkeits-Strömung werden sogenannte Schlüsselmerkmale gemessen, wie z. B. der mittlere Blasendurchmesser, der Anteil der lokalen Filmströmung und die Ausdehnung der Gas-Flüssigkeits-Mischung über die Kanalbreite. Die Ergebnisse werden für die verschiedenen Strömungsrichtungen und Gas-Flüssigkeits-Verteilungen quantitativ verglichen. Der selbstprogrammierte Algorithmus wird unverändert für die Auswertung der Fotos aller Messpunkte verwendet, obwohl diese ein breites Spektrum an Strömungsformen aufweisen. Die computergestützte Methode eignet sich besonders für lokal inhomogene oder fluktuierende Zweiphasenströmungen, die mit der üblichen visuellen Methode nur schwer auszuwerten sind. Da der Algorithmus keine subjektiven Definitionen oder Klassifizierungen von Strömungsformen benötigt, werden die Ergebnisse als objektiv und reproduzierbar angesehen. Für einige Zweiphasenphänomene werden durch die Unsicherheitsanalyse und den Vergleich mit den Strömungsformen-Karten jedoch große Messfehler sowie ein Bias des Algorithmus offenbar. Daher müssen die mit der automatischen Bildauswertung erzielten Ergebnisse noch visuell bewertet werden, bis die Schwächen des Algorithmus behoben werden können. Nichtsdestotrotz stimmen die Ergebnisse der digitalen Bildauswertung mit den Erkenntnissen der zuvor durchgeführten Analysen überein und liefern zusätzliche Belege, z. B. für den Beginn des Schlupfes, der bereits aus der Druckverlustmessung abgeleitet wird, für die Anwendbarkeit des Modells des maximalen Blasendurchmessers und für die Rolle der Zentrifugalkraft.