Experimentelle Untersuchung zur freien Konvektion an Rohren in einer Kies/Wasser-Schüttung

Abstract

In Rahmen dieser Arbeit wurde der Wärmeübergang an horizontalen Einzelrohren, drei übereinander liegenden und sieben versetzt angeordneten Rohren, sowohl in Wasser allein als auch in der Kies/Wasser-Schüttung in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte experimentell untersucht. Als Schüttgut wurden drei verschiedene Steingrößen eingesetzt, mit der Korngrößenverteilung von 4 bis 8, 8 bis 16 und 16 bis 32 mm (Kies 4/8, Kies 8/16 und Kies 16/32). Die Messungen an Einzelrohren in der Kies/Wasser-Schüttung ergaben drei unterschiedliche Strömungsgebiete: Darcy-Strömung, Forchheimer-Strömung und Turbulente Strömung. Bei der Berechnung der maximalen Grashof-Zahl ist die nicht wandkorrigierte Porosität einzusetzen. Der Wärmeübergang nimmt mit steigender Wärmestromdichte und größer werdender Korngröße des Kieses zu. Es konnten drei neue Korrelationsgleichungen für den Wärmeübergang ermittelt werden. Sie geben die Meßwerte mit einer mittleren Abweichung von 10 % wieder. Bei den Versuchen mit sieben versetzt angeordneten Rohren, erhält man außer bei den Messungen mit Kies 8/16 beim Teilungsverhältnis S/D = 5 immer eine Verringerung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber dem Einzelrohr (Bezug auf Zuströmtemperatur). Mit steigender Wärmestromdichte nimmt die normierte mittlere Nusselt-Zahl zu. In Wasser tritt die größte mittlere Nusselt-Zahl bei S/D = 5 auf, während sich in der Kies/Wasser-Schüttung die größte mittlere Nusselt-Zahl zwischen den Verhältnissen S'/d = 1,47 und S'/d = 2,95 zeigt. Die Versuche mit drei übereinander liegenden Rohren ergaben ähnliche Ergebnisse wie mit den sieben versetzt angeordneten Rohren. Es wurde eine Erhöhung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber den sieben versetzt angeordneten Rohren festgestellt. Die mittlere Erhöhung liegt zwischen 2,4 % und 19,8 %.

In this work the heat transfer from a horizontal single tube, three vertically spaced tubes and seven staggered tubes is investigated experimentally, both in water and in a water-saturated pebble bed. Three differently sized pebbles with the particle size distribution of 4 to 8 mm, 8 to 16 mm and 16 to 32 mm (pebble 4/8, pebble 8/16 and pebble 16/32), were used to create the packed beds. The measurements on single tubes in the water-saturated pebble bed have brought three distinct flow regimes: Darcy flow, Forchheimer flow und Turbulent flow. When calculating the maximum Grashof number, the porosity without wall effect correction should be used. The heat transfer increases with increasing heat flux and increasing pebble size. Three new correlation equations were obtained. The mean deviation is 10 %. Except for the experiments in the water-saturated packed bed with pebble 8/16 at the pitch ratio S/D = 5, the experiments with seven-tube arrangements always gave a smaller average Nusselt number in comparison to that of a single tube (in relation to influx temperature). The normalized average Nusselt number increases with increasing heat flux. In water the largest average Nusselt number occurs at the pitch ratio S/D = 5, while in the water-saturated pebble bed the largest average Nusselt number was found between the ratios S'/d = 1.47 and S'/d = 2.95. The experiments with the three-tube arrangement had similar results as with the seven-tube arrangement. An increase of the average Nusselt number in comparison to the seven-tube arrangement has been obtained. The mean increase of the average Nusselt number is between 2.4 % and 19.8%.