Experimentelle Untersuchungen zur kritischen Wärmestromdichte und zum Post-Dryout-Wärmeübergang mit R-134a unter hohen Drücken

Da der weltweite Bedarf an elektrischer Energie rapide wächst, muss die Anzahl an Energieerzeugern
entsprechend erhöht werden. Gleichzeitig steigen die CO2-Emissionen infolge der Nutzung
fossiler Brennstoffe. Um der damit einhergehenden Klimaerwärmung entgegenzuwirken, ist die
Erzeugung CO2-armer Energie unerlässlich. Vor diesem Hintergrund entstehen weltweit neue
Kernreaktoren und damit verbundene Dampferzeuger. Diese Anlagen arbeiten unter Betriebsbedingungen,
die von niedrigen bis sehr hohen unterkritischen Drücken und darüber hinaus reichen.
Im Bereich des siedenden Wärmeübergangs kann es dabei unter bestimmten thermohydraulischen
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Bedingungen zur Siedekrise kommen, bei der zwischen Departure from Nucleate Boiling (DNB)
und Dryout zu unterscheiden ist. Anschließend an den Dryout tritt der sogenannte Post-Dryout-
Bereich auf, der durch eine Dampfströmung mit dispersen Flüssigkeitstropfen gekennzeichnet
ist. Diese Phänomene sind hochkomplex und beeinflussen die Wärmeübertragung während des
Verdampfungsprozesses maßgeblich. Während diese Phänomene sowie die Wärmeübertragung
bereits umfangreich im niedrigen und überkritischen Druckbereich untersucht wurden, sind die
zugrunde liegenden Mechanismen und Charakteristika im hohen unterkritischen Druckbereich
bislang noch nicht vollständig erforscht.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Siedekrise, die damit verbundene kritische Wärmestromdichte sowie
den Post-Dryout-Wärmeübergang und das in diesem Bereich einflussreiche Tropfenverhalten unter
hohen unterkritischen Druckbedingungen experimentell zu untersuchen. Dazu werden drei umfangreiche
Versuchsreihen mit zwei unterschiedlichen Teststrecken unter Verwendung des Kältemittels
R-134a durchgeführt. Die erste Teststrecke ist ein vertikal beheiztes Rohr und die zweite Teststrecke
verfügt über optische Zugänge, um mittels Hochgeschwindigkeitskamera-Aufnahmen das Verhalten
der dispersen Flüssigkeitstropfen im Post-Dryout-Bereich analysieren zu können. Untersucht wird
dabei der Einfluss des Systemdrucks, vor allem nahe des kritischen Drucks, der lokalen Dampfqualität
sowie der Massen- und Wärmestromdichte auf den Wärmeübergang, das Tropfenverhalten und
das Auftreten der Siedekrise. Auch selten beobachtete Phänomene wie das Auftreten der Siedekrise
vor dem Ende der beheizten Länge unter sehr hohen Druckbedingungen oder ein Wandtemperaturabfall
vor dem Erscheinen der Siedekrise unter niedrigen Drücken werden ausführlich diskutiert
und begründet. Des Weiteren wird der Einfluss der in der zweiten Teststrecke eingebauten Abstandshalter
diskutiert und die Vorhersagegenauigkeit von entsprechenden Korrelationen bewertet.
Basierend auf der gewonnenen Datenbasis werden Vorhersagemethoden aus der Literatur bewertet
sowie eine neue Korrelation zur Berechnung des Post-Dryout-Wärmeübergangs für hohe Drücke
entwickelt. Ergänzend wird ein künstliches neuronales Netz auf Basis der experimentellen Daten
trainiert und dessen Ergebnisse bewertet.

As the global demand for electrical energy is growing rapidly, the number of energy producers must
be increased accordingly. At the same time, CO2-emissions are rising due to the use of fossil fuels.
In order to counteract the associated global warming, the generation of low-CO2 energy is essential.
In light of this, new nuclear reactors and associated steam generators are being built around the
world. These plants work under operating conditions ranging from low to very high subcritical
pressures and beyond.
During operation, however, in the area of boiling heat transfer, certain thermohydraulic conditions
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can lead to a boiling crisis, occurring in the form of either Departure from Nucleate Boiling (DNB)
or dryout. Following dryout, the so-called post-dryout regime occurs, which is characterized by
a vapor flow with dispersed liquid droplets. These phenomena are highly complex and have a
significant influence on the heat transfer during the evaporation process. While these phenomena
and the heat transfer have already been extensively investigated in the low and supercritical pressure
range, the underlying mechanisms and characteristics in the high subcritical pressure range have
not yet been fully researched.
The purpose of this study is to experimentally investigate the boiling crisis, the associated heat flux
as well as the post-dryout heat transfer and the droplet behavior influencing it under high subcritical
pressure conditions. Three extensive series of experimental investigations are conducted with two
different test sections using the refrigerant R-134a. The first test section is a vertically heated tube,
while the second test section has optical access to analyze the behavior of the dispersed liquid
droplets in the post-dryout regime using high-speed camera images. The influence of the system
pressure, particularly near the critical pressure, the local vapor quality and the mass and heat flux
on the heat transfer, the droplet behavior and the occurrence of the boiling crisis are investigated.
Rarely observed phenomena such as the appearance of the boiling crisis before the end of the heated
length under very high pressure conditions, or a drop in wall temperature before the appearance
of the boiling crisis at low pressures, are also discussed and explained in detail. Furthermore, the
influence of the spacers installed in the second test section is discussed and the prediction accuracy
of corresponding correlations is assessed. Based on the obtained database, prediction methods from
the literature are assessed and a new correlation for predicting the post-dryout heat transfer for high
pressures is developed. In addition, an artificial neural network is trained and assessed on the basis
of the experimental data.