Flow boiling of CO₂ in porous structures

Um die Vorteile der Integration poröser Strukturen in Verdampferrohre zu bewerten und somit effiziente Wärmeübertrager zu entwerfen, sind zuverlässige Vorhersagemodelle für Wärmeübergang und Druckverlust erforderlich. Angesichts der großen Zahl und Komplexität möglicher Einsätze ist eine Vorhersage auf Basis eines universellen Modells, welches auf nicht experimentell untersuchte Einsätze übertragen werden kann, von großem Wert. Lediglich Modelle, die auf etablierten Beziehungen beruhen und keine Anpassungsparameter benötigen, können aufgrund der bislang kleinen Datenbasis für Strömungssieden in Rohren mit Einsätzen dieses Kriterium erfüllen. ... mehrZiel dieser Arbeit war es daher, die folgende Hypothese zu verifi-zieren oder zu falsifizieren:
Der Wärmeübergang und der Druckverlust beim Strömungssieden in einem horizontalen Rohr mit porösen Einbauten können durch physikalisch sinnvolle Kombination von etablierten Modellen aus den Bereichen „Einphasenströmung“ und „Sieden in Leerrohren“ beschrieben werden - ohne die Verwendung von Anpassungsparametern.
Daher wurden Druckverlust- und Wärmeübertragungsversuche mit drei verschiedenen porösen Einsätzen an der Strömungssiedeversuchsanlage des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik (Karlsruher Institut für Technologie, KIT) unter Verwendung einer neu konstruierten Versuchsstrecke durchgeführt. Die horizontale Versuchsstrecke (Innendurchmesser 14 mm) misst den umfangsaufgelösten Wärmeübergangskoeffizienten bei konstanter Wandtemperatur. Ein Schauglas kombiniert mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht die Beobachtung der Phasenverteilung der untersuchten Zwei¬phasenströmung. Untersucht wurden zwei Schwammeinsätze (auch offenzellige Schäume genannt) mit unterschiedlichen Zellgrößen sowie ein Drahtmatrixelement. Die realisierten Betriebsbedingungen umfassen Sättigungsdrücke von 1,2 MPa bis 2,65 MPa (entsprechend Sättigungstemperaturen zwischen -35 °C und -10 °C und reduzierten Drücken zwischen 0,16 und 0,36), Massenströme von 25 kg m$^{-2}$ s$^{-1}$ bis 200 kg m$^{-2}$ s$^{-1}$, Strömungsdampfgehalten von 5% bis 98% und einer Wandüberhitzung von bis zu 7 K. Als Versuchsflüssigkeit wurde CO₂ gewählt.
Der Druckverlust der Zweiphasenströmung in einem Rohr mit porösen Einsätzen wurde unter adiabatischen und diabatischen Bedingungen untersucht. Bei hohen Massenstromdichten konnte ein Modell entwickelt werden, welches auf einer Anpassung des quadratischen Forchheimer-Terms an eine Zweiphasenströmung nach dem homogenen Modellansatz beruht. Hiermit lassen sich mehr als 88% aller experimentellen Daten für einen bestimmten Einsatz mit einem absoluten prozentualen Fehler von weniger als 30% beschreiben. Für diabatische Bedingungen unterschätzt das homogene Leerrohrmodell die auf Beheizung zurückzuführende Komponente des Druckverlustes. Je größer der adiabate Druckverlust, desto höher ist auch dieser zusätzliche Druckverlust aufgrund einer Beheizung der Teststrecke.
Der Wärmeübergangskoeffizient wurde lokal ausgewertet und mit dem Wärmeübergangskoeffizient in leeren Rohren sowie etablierten Modellen und Konzepten verglichen. Während die Einsätze den Beitrag des Blasensiedens zum Wärmeübergang beim Strömungssieden kaum zu beeinflussen scheinen, erhöhen sie den Beitrag des konvektiven Siedens. Daher ist eine Beschreibung des Blasensieden-Anteils mittels des auch fürs Leerrohr geeigneten Modells möglich. Im konkreten Fall ist dies die Gleichung von Cooper. Den konvektiven Beitrag beschreiben an die Zweiphasenströmung angepasste Modelle des einphasigen Wärmeübergangs an einer Rohrwand mit den jeweiligen Einbauten. Bei Schwammeinbauten ist dies beispielsweise das Modell von Bianchi et al. kombiniert mit einer Zweiphasen-Reynoldszahl. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, das mehr als 90% aller Daten mit einem Fehler von weniger als 30% beschreibt. Für dieses Modell ist kein Anpassungsfaktor erforderlich.
Die Hypothese kann folglich für die Modellierung des adiabaten Druckverlusts bei hohen Massenstromdichten sowie für die Modellierung des Wärmeübergangskoeffizienten im untersuchten Parameterbereich verifiziert werden. Da die entwickelten Modelle auf etablierten Konzepten beruhen und auf die Verwendung von Anpassungsparametern verzichten, kann eine Übertragbarkeit auf andere poröse Strukturen, Rohrdurchmesser, Kältemittel und Betriebsbedingungen erwartet werden.

To evaluate the advantages of integrating porous structures into evaporator tubes and thus design efficient heat exchangers, reliable predictive models for heat transfer and pressure drop are required. Given the large number and complexity of possible inserts, a prediction based on a universal model that can be applied to inserts, which were not investigated experimentally, is of great value. Most of the models suggested in literature require fitting parameters to adapt them to measurement data. Only models that rely on established relationships and do not need fitting parameters can fulfill this criterion due to the small data base to date. ... mehrConsequently, the aim of this thesis was to verify or falsify the following hypothesis:
The heat transfer and pressure drop of flow boiling in a horizontal tube with porous inserts can be described by physically reasonable combination of established models from the fields of “single-phase flow” and “boiling in empty tubes” - without using fitting parameters.
Consequently, pressure drop and heat transfer tests with three different porous inserts were carried out at the flow boiling test facility at the Insti-tute of Thermal Process Engineering (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) using a newly designed test section. The horizontal test section (inner diameter 14 mm) measures the circumferentially resolved heat transfer coefficient at constant wall temperature. A sight glass combined with a high-speed camera enables the observation of the phase distribution of the investigated two-phase flow. Two sponge inserts (also called open-cell foam inserts) with different cell sizes and a wire matrix element were investigat-ed. The realized operating conditions include saturation pressures from 1.2 MPa to 2.65 MPa (corresponding to saturation temperatures between -35 °C and -10 °C and to reduced pressures between 0.16 and 0.36), mass fluxes from 25 kg m$^{-2}$ s$^{-1}$ to 200 kg m$^{-2}$ s$^{-1}$, vapor qualities from 5% to 98%, and a wall superheat of up to 7 K. CO2 was chosen as the experimental fluid.
The pressure drop of the two-phase flow in a tube with porous inserts was investigated under adiabatic and diabatic conditions. At high mass fluxes, it was possible to develop a model based on an adaption of the quadratic Forchheimer term to two-phase flow using the homogeneous model ap-proach. This allows more than 88% of all experimental data for a specific insert to be described with an absolute percentage error of less than 30%. For diabatic conditions, however, the homogeneous empty tube model underestimates the component of pressure drop due to heating. The larger the adiabatic pressure drop, the higher is this additional pressure drop due to heating of the test section.
The heat transfer coefficient was evaluated locally and compared to the heat transfer coefficient in empty tubes as well as established models. While inserts barely seem to influence the nucleate boiling contribution of the flow boiling heat transfer of completely wetted segments, they enhance the convective boiling contribution. Therefore, a description of the nucleate boiling contribution is possible using the model which is also suitable for the empty tube. In the specific case, this is Cooper's equation. The convective contribution is described by models adapted to the two-phase flow, which describe the single-phase heat transfer at the tube wall with the respective inserts. For sponge inserts, for example, this is the model of Bianchi et al. combined with a two-phase Reynolds number. Based on these observations, a model was developed that describes more than 90% of all data with an error of less than 30%. No fitting parameter is required for this model.
Consequently, the hypothesis can be verified for the modeling of the adia-batic pressure drop at high mass fluxes as well as for the modeling of the heat transfer coefficient in the investigated parameter range. Since the developed models are based on established concepts and do not use fitting parameters, transferability to other porous structures, tube diameters, cooling media and operating conditions can be expected