Browsing by Author "Kottke, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.)"

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Strömungs- und Transportvorgänge bei kleinen Reynoldszahlen in gekreuzten Strukturen von Plattenwärmeübertragern
(2010) Schill, Christoph Jörg Günther; Kottke, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.)
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Strömungs- und Transportvorgänge in Plattenwärmeübertragern bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten mit viskosen Modellflüssigkeiten zu untersuchen. Es werden in einer systematischen Analyse das Strömungs- und Transportverhalten sinusförmig gewellter Strukturen mit gekreuzter Plattenanordnungen bei geringen Reynoldszahlen zwischen 0,1 < Reh < 10 sowohl experimentell als auch mit Hilfe der Strömungssimulation untersucht. Die Sichtbarmachung der Strömungsvorgänge zeigt, dass die Plattenprägung bei sehr kleinen Reh-Zahlen ihren Einfluss nur in engen Grenzen auf die Strömungsformen ausüben kann. Es liegt nur noch eine Strömungsform vor, die sich aus der Überlagerung der beiden Grundströmungsarten Längsströmung und Talströmung mit jeweils unterschiedlicher Gewichtung ihrer Anteile ergibt. Bei kleineren Reh-Zahlen und laminarer Strömung resultiert aus der Überlagerung von Längs- und Kanalströmung der neue Strömungstyp der Sinusströmung, bei der die Amplitude der Sinusströmung mit zunehmender Reh-Zahl immer kleiner wird, bis sich bei ausgebildeter laminarer Strömung die reine Längsströmung einstellt. Geometrieparameter der Plattenstrukturen, nämlich die dimensionslose Wellenlänge λ/a, der Anströmwinkel φ und der dimensionslose Abstand der Umkehrpunkte x/λ*, kann der für diese Aufgabe technisch interessante Bereich identifiziert und vollständig abgedeckt werden. Mit einer Messmethode konvektiver Stoffübertragung auf der Basis von Chemisorption des Acidol-Blau-Farbstoffs werden die örtlichen übergegangenen Stoffmengen sichtbar gemacht und quantifiziert. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die wandnahen Grenzschichtströmungen ziehen. Mit Hilfe eines funktionellen Zusammenhanges zwischen Belegungsdichte und Remission lassen sich lokale Stoffübergangskoeffizienten bestimmen. Der hierzu benötigte Diffusionskoeffizient des Farbstoffs im verwendeten Versuchsmedium wird mit unterschiedlichen Untersuchungsmethoden und -verfahren bestimmt. Die zugeordneten Druckverlustmessungen beweisen, dass Strukturen mit höherem Stoffübergang in der Regel höhere Druckverluste aufweisen. Der Plattenprägung kommt eine dominante Rolle zu. Mit Hilfe hybrider Plattenanordnungen kann der Druckverlust reduziert werden, was dann allerdings zu einer deutlich niedrigeren Stoffübertragung führt. Umfangreiche Simulationsuntersuchungen werden mit dem kommerziellen Strömungs-simulationsprogramm ANSYS-CFX durchgeführt. Um eine Berechnung von lokalen Shx-Werten zu ermöglichen, wird das physikalische Modell der Grenzschichttheorie in ANSYS-CFX implementiert. Mit dem implementierten Stoffübergangsmodell können ebenfalls die zuvor experimentell bestimmten Kenngrößen sehr gut theoretisch berechnet werden. Dadurch wird in Zukunft eine erhebliche Reduktion des experimentellen Aufwands ermöglicht, der bislang zeit- und kostenintensiv ist.