Experimental investigations of turbulent heat transfer at corroded surface under supercritical pressure conditions

Diese Dissertation widmet sich der experimentellen Untersuchung des turbulenten Wärmeübergangs an korrodierten, rauen Oberflächen unter überkritischen Druckbedingungen, wie sie in Wassergekühlten Reaktoren mit überkritischem Betriebsdruck auftreten. Ein Zentrales Ziel der Arbeit ist die Generierung von experimentellen Daten für raue Oberflächen, deren Rauigkeit präzise charakterisiert wurde. Durch Gegenüberstellung von Ergebnissen aus einem rauen und einem
glatten Testrohr, kann der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den turbulenten Wärmeübergang
ermittelt werden. Die Experimente decken einen breiten und technisch relevanten Parameterbereich
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ab, darunter Variationen des Druckes, des Massenstromes, des Wärmestromes, sowie der Eintrittstemperatur. Die gewonnenen experimentelle Daten stellen eine Grundlage für die Analyse
der komplexen Phänomene dar, die den Wärmeübergang unter überkritischen Druckbedingungen
beeinflussen.
Die erzeugten experimentellen Daten ermöglichen eine umfassende systematische Analyse der
Wärmeübergangsmechanismen und dienen als Referenz zur Modellentwicklung und -validierung.
Aufbauend auf den Ergebnissen wurde eine neue empirische Korrelation entwickelt, die den Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den Wärmeübergang unter Berücksichtigung der Dicke der
viskosen Unterschicht modelliert. Diese Korrelation verbessert die Vorhersagegenauigkeit für
den Wärmeübergang an rauen Wänden unter überkritischen Druckbedingungen und bietet eine
Grundlage für technische Anwendungen.
Abschließend wurde basierend auf den gewonnenen experimentellen Daten ein Neuronales Netz
zur Modellierung des Wärmeübergangs trainiert. Dieses Modell bildet eine alternative Herangehensweise zu den typischerweise verwendeten empirischen Korrelationen und liefert selbst unter
den Bedingungen des verschlechterten Wärmeübergangs brauchbare Ergebnisse.

This dissertation focuses on the experimental investigation of turbulent heat transfer at corroded,
rough surfaces under supercritical pressure conditions, as encountered in supercritical water-cooled
reactors. A central objective of this work is the generation of experimental data for rough surfaces
with precisely characterized roughness. By comparing results from a rough and a smooth test tube,
the influence of surface roughness on turbulent heat transfer can be determined. The experiments
cover a wide and technically relevant parameter range, including variations in pressure, mass flux,
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heat flux, and inlet temperature. The experimental data obtained form a basis for analyzing the
complex phenomena influencing heat transfer under supercritical pressure conditions.
The generated experimental data enable a comprehensive systematic analysis of heat transfer
mechanisms and serve as a reference for model development and validation. Based on the results, a
new empirical correlation was developed that models the influence of surface roughness on heat
transfer, taking into account the thickness of the viscous sublayer. This correlation improves the
predictive accuracy for heat transfer at rough surfaces under supercritical pressure conditions and
provides a foundation for technical applications.
Finally, a neural network for modeling heat transfer was trained based on the experimental data
obtained. This model offers an alternative approach to the typically used empirical correlations and
delivers usable results even under conditions of deteriorated heat transfer.