Strömungs- und Transportvorgänge bei kleinen Reynoldszahlen in gekreuzten Strukturen von Plattenwärmeübertragern

Abstract

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 &#955;/a, der Anströmwinkel &#966; und der dimensionslose Abstand der Umkehrpunkte x/&#955;*, 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.

The aim of this research work is to examine the flow and the mass transfer processes of viscous fluids in a plate heat exchanger. A better understanding of these flow processes with low processing speeds, as they particularly arise in the food industry, are of special interest for this industry branch. The design of a good plate heat exchanger is quite dif-ficult and linked with great costs. So only few information is published in literature, because of the large complexity of the determination of the necessary design data. Therefore the flow and transportation properties of sinusoidal corrugated structures are examined in a systematic analysis in the range of 0.1< Reh < 10. Both experiments and CFD-simulations are carried out in this analysis. The visualization of the flow processes shows that the stamping of the plate surface can only exert a very limited influence on the flow characteristics at very low Reynolds numbers. At higher flow rates and in the turbulent regime there are three flow types, as proven by many authors. These authors identify the so-called corkscrew, the so-called channel flow and the combination of these flows - the so-called mixing flow. In con-trast to these facts, a new flow type exists in the laminar flow regime, which results from the overlapping corkscrew flow and the channel flow. This new flow type is called sine flow in the present work. The sine flow's amplitude drops with a further reduction of the flow rate. At the end, the corkscrew flow only exists at extremely low flow rates. In the central range of the flow channels the corkscrew flow always prevails and the channel flow is dominant in the valleys of the corrugated plate surface. It can be seen, that a high portion of corkscrew flow has to be the aim for the processing of viscous fluids. The technical important range for this task could be identified and completely covered by the variation of the geometry parameters as the dimensionless wavelength &#955;/a, the inclination angle &#966; and the dimensionless distance of the reversal points x/&#955;*. The fluid follows the respective flow channels, which are forced by plate stamping. The fluid is slightly accelerated and/or braked due to the surface corrugations and the cross-section reductions nearby the supporting points. Therefore regions develop with a high and/or a low mass transfer. A mixing of the individual streamlines doesn't take place through eddy structures. For the flow visualization and the determination of the local mass transfer in liquid flows a chemisorption method is used. The transferred mass is added as tracer to the test fluid. The locally transferred mass is visible as color density distribution and the color intensity directly corresponds to the locally transferred mass. Thus, one can draw con-clusions from the near-wall flow phenomena in the boundary layer. The color intensity of the light remission is measured with a scanner. With the help of a calibration equa-tion, the local Sherwood-numbers are calculated. The required diffusion coefficient of the tracer is determined by different methods. The measurements show that each flow form has a distinct influence on the mass transfer. This realization particularly plays an important role in the laminar flow regime, because of the lack of turbulence. The special characteristics of the two base flows realize a homogeneous mass transfer only with difficulties. The examination of the mass transfer's homogeneity confirms this state-ment. However, the assigned pressure drop measurements show, that structures with higher mass transfer usually exhibit higher pressure drop. The plate corrugation plays an im-portant role in this context. Improvements in the pressure loss can be obtained by using asymmetric plate arrangements, but which reduces the mass transfer behaviour.