Untersuchung des thermohydraulischen Förderverhaltens einer Thermosiphonpumpe bei unterschiedlichen Beheizungsarten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird das thermohydraulische Förderverhalten einer zweiphasigen Thermosiphonpumpe bei unterschiedlichen Beheizungsarten untersucht. Grundlage für die experimentellen Untersuchungen ist ein Prüfstand, der konstante Versuchsbedingungen bietet. Dies wird durch die kontinuierliche Messung des Dampf- bzw. Kondensatmassenstroms, die Vorwärmung des Arbeitsmediums auf nahe Siedetemperatur sowie die strömungsoptimierte Gestaltung des Reservoirs und des Förderrohreinlaufs erreicht. Der Einfluss der relativen Heizlänge auf die Förderfähigkeit der Thermosiphonpumpe wird untersucht, indem ein vertikales Förderrohr punktuell, teilflächig und flächig beheizt wird. Als Arbeitsmedium wird demineralisiertes Wasser verwendet. Der Prüfstand ist zur Umgebung hin offen. Nahezu über den gesamten untersuchten Bereich gilt: Je kleiner die relative Heizlänge, desto höher ist der geförderte Flüssigkeitsmassenstrom. Bei punktueller Beheizung weist die Förderkennlinie einen untypischen Verlauf mit einem lokalen und absoluten Maximum auf. Das instationäre Förderverhalten der Thermosiphonpumpe bei punktueller Beheizung wird messtechnisch untersucht. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums in der horizontalen Zulaufstrecke zur Quantifizierung des instationären Strömungsverhaltens. Eine Frequenzanalyse des gemessenen statischen Druckes in der horizontalen Zulaufstrecke gibt Aufschluss über die Periodizität des instationären Strömungsverhaltens. Ebenfalls werden durch die Ermittlung der Strömungsform im Förderrohr Rückschlüsse auf das Förderverhalten sowie die Förderfähigkeit gezogen. Durch das instationäre Förderverhalten treten Strömungen entgegen der eigentlichen Förderrichtung auf. Mit dem Ziel der Verminderung bzw. Verhinderung dieser Rückströmungen wird der Einbau diverser Düsen und Venturirohre sowie eines Rückschlagventils in der horizontalen Zulaufstrecke untersucht. Die Messergebnisse zeigen, dass das Förderverhältnis durch diese Rohreinbauten in der Zulaufstrecke gesteigert werden kann. Aus den Erkenntnissen der Untersuchungen hinsichtlich der Beheizungsart und der Verminderung der Rückströmungen geht ein neues Beheizungskonzept für Diffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKMs) in Form eines Plattenwärmeübertragers mit nachgeschaltetem Förderrohr hervor. Dies ermöglicht neben einer kompakten Bauweise sowie der Entkopplung von Wärmeübertragung und Förderung zur Nutzung verschiedener Wärmequellen die Beheizung der Thermosiphonpumpe bei niedrigen Temperaturen. Zudem wird ein hohes Förderverhältnis im Vergleich zu herkömmlich angetriebenen DAKMs erreicht.