Wärmeübergang in turbulenten Flüssigmetallrohrströmungen mit azimutal inhomogener Verteilung der Wärmestromdichte

Flüssigmetalle werden seit langem aufgrund ihrer besonders günstigen Wärmeübertragungseigenschaften als Wärmeträgerfluide vorgeschlagen und in einigen speziellen Einsatzfällen auch verwendet. Sie besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige kinematische Viskosität und sind – im Vergleich zu konventionellen Fluiden – über einen weit größeren Temperaturbereich flüssig. Sie eignen sich daher besonders als hocheffiziente Wärmeträgerfluide für Anwendungen, in denen große Wärmestromdichten bei sehr hohen Temperaturen, jedoch moderaten Drücken und ohne Phasenwechsel übertragen werden sollen. ... mehrEine solche Anwendung sind konzentrierende solarthermische Kraftwerke. Bei diesen Kraftwerken in Zentralturm-Bauweise sammelt ein Solarkollektor das durch Heliostatspiegel konzentrierte Sonnenlicht, wobei der Solarkollektor durch das Wärmeträgerfluid gekühlt wird. Für ein einzelnes Kollektorrohr folgt eine stark inhomogene thermische Randbedingung aus dem geometrischen Aufbau mit einem Wärmestrom, der lediglich über den halben Umfang auf das Rohr aufgeprägt wird. Diese thermische Randbedingung wurde in der Vergangenheit nur spärlich untersucht, weswegen prädiktive Methoden zur Bestimmung des Wärmetransports in diesen speziellen Anwendungen nur unzureichend mit Literaturdaten unterstützt werden können.
Um diese Lücke zu schließen wurde in dieser Arbeit experimentell der Einfluss einer über den Umfang (azimutal) inhomogenen Beheizung auf den Wärmetransport in einer turbulenten Flüssigmetallrohrströmung analysiert. Die experimentellen Untersuchungen wurden mit einer eigens hierfür entwickelten Versuchsanlage durchgeführt mit einem starken Fokus auf die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der aufgeprägten thermischen Randbedingungen. In der entwickelten Messstrecke wurden zwei verschiedene Wärmeträgerfluide verwendet, Wasser als Repräsentant konventioneller Fluide und eine nahe-eutektische Legierung bestehend aus Gallium, Indium und Zinn (GaInSn), welche bei Raumtemperatur flüssig ist und als Modellfluid dient. Das identische Versuchssetup reduziert die Unterschiede auf die Materialeigenschaften der Fluide, insbesondere den Einfluss der signifikant unterschiedlichen Prandtl-Zahl. Das ermöglicht eine verlässliche Rückführung der Versuchsergebnisse auf die Ausprägung der thermofluiddynamischen Effekte infolge der unterschiedlichen thermophysikalischen Stoffeigenschaften. Für den Fall einer azimutal homogenen Verteilung der Wärmestromdichte wurde für GaInSn eine neue Korrelation zur Berechnung der Nusselt-Zahl in Abhängigkeit der Péclet-Zahl entwickelt. Die azimutal gemittelte Nusselt-Zahl für eine azimutal inhomogene Verteilung der Wärmestromdichte kann ebenfalls mit dieser Korrelation mit einer ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass im Fall von GaInSn die azimutale Temperaturverteilung in der Rohrwand bei einer halbumfänglichen Beheizung und identischer Reynolds-Zahl eine höhere Inhomogenität aufweist, als bei Wasser. Für beide Fluide wurden Modellierungsansätze zur Beschreibung der Temperaturverteilung an der Rohrinnenwand auf Basis einer Biot-Zahl unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften der Rohrwand, welche diese beeinflusst, vorgestellt. Die höhere Inhomogenität der Temperaturverteilung für die Datenpunkte mit GaInSn ist ebenso in Form höherer thermisch induzierter Spannungen in der Rohrwand erkennbar. Dies konnte in einer Analyse der auftretenden thermoelastischen Spannungen gezeigt werden. Zudem konnte dargestellt werden, dass sowohl für Wasser als auch GaInSn bei horizontalen Strömungen für den Fall einer halbumfänglichen Beheizung über die untere Rohrhälfte entgegen der Schwerkraft im Vergleich zum Fall einer azimutal homogenen Verteilung der Wärmestromdichte mischkonvektive Effekte bei identischer Rayleigh-Zahl bei deutlich höheren Reynolds-Zahlen auftreten. Weiterhin wurde sichtbar, dass Kriterien zur Bewertung des Auftretens von Auftriebsströmungen für diese Wärmestromdichteverteilung, welche für den Fall einer azimutal homogenen Verteilung der Wärmestromdichte bei turbulenten Flüssigmetallrohrströmungen entwickelt wurden nicht als prädiktives Werkzeug benutzt werden können. Stattdessen wurde auf Basis der experimentellen Daten dieser Arbeit ein neues Kriterium für deren Auftreten entwickelt.

Liquid metals have long been proposed as heat transfer fluids due to their particularly favorable heat transfer properties, and have also been used in some special applications. They have a high thermal conductivity, low kinematic viscosity and - compared to conventional fluids - are liquid over a much wider temperature range. They are therefore particularly suitable as highly efficient heat transfer fluids for applications in which large heat fluxes are to be transferred at very high temperatures, but moderate pressures and without phase changes. One such application are concentrating solar thermal power plants. ... mehrIn these power plants of central tower design, a solar collector collects the sunlight concentrated by heliostat mirrors, and the solar collector is cooled by the heat transfer fluid. For a single collector tube, a highly inhomogeneous thermal boundary condition follows from the geometric design with a heat flux imposed on the tube over only half the circumference. This thermal boundary condition has been sparsely studied in the past, which is why predictive methods for determining heat transfer in these particular applications can only be inadequately supported with literature data.
To close this gap, the influence of circumferentially (azimuthally) inhomogeneous heating on the heat transport in a turbulent liquid metal tube flow was analyzed experimentally in this work. The experimental investigations were carried out with a specially developed test facility with a strong focus on the accuracy and reproducibility of the imposed thermal boundary conditions. Two different heat transfer fluids were used in the developed measurement setup, water representing conventional fluids and a near-eutectic alloy consisting of gallium, indium and tin (GaInSn), which is liquid at room temperature and serves as a model fluid. The identical experimental setup reduces the differences to the material properties of the fluids, especially the influence of the significantly different Prandtl number. This allows a reliable traceability of the experimental results to the expression of the thermofluidddynamic effects as a result of the different thermophysical material properties. For the case of an azimuthally homogeneous distribution of the heat flux, a new correlation was developed for GaInSn to calculate the Nusselt number as a function of the Péclet number. The azimuthally averaged Nusselt number for an azimuthally inhomogeneous distribution of the heat flux can also be determined with this correlation with a sufficient accuracy. Furthermore, it could be shown that in the case of GaInSn, the azimuthal temperature distribution in the tube wall has a higher inhomogeneity than in the case of water for a semi-circumferential heating and identical Reynolds number. For both fluids, modeling approaches were presented to describe the temperature distribution at the inner pipe wall based on a Biot number, taking into account the thermal properties of the tube wall, which affect it. The higher inhomogeneity of the temperature distribution for the data points with GaInSn can also be seen in the form of higher thermal induced stresses in the tube wall. This could be shown in an analysis of the occurring thermoelastic stresses. In addition, it could be shown that for both water and GaInSn in horizontal flows for the case of semicircumferential heating via the lower half of the tube against gravity, mixed convective effects occur with identical Rayleigh number at significantly higher Reynolds numbers compared to the case of an azimuthally homogeneous distribution of the heat flux. Furthermore, it became visible that criteria for evaluating the occurrence of buoyancy flows for this heat flux distribution, which were developed for the case of an azimuthally homogeneous distribution of the heat flux in turbulent liquid metal tube flows, cannot be used as a predictive tool. Instead, a new criterion for their occurrence was developed based on the experimental data of this work.