Strömungs- und Transportvorgänge in gewellten Kanälen mit ineinanderliegender Anordnung der Wände

Abstract

Strömungskanäle aus sinusförmig gewellten Platten in ineinanderliegender Anordnung finden z.B. als Plattenwärmeübertrager in der Lebensmitteltechnik Anwendung. Gegenüber dem ebenen Spalt wird hier eine Erhöhung der Wärme- und Stoffübertragung bei moderatem Druckverlust und kompakter Bauweise angestrebt. In einer Analyse werden Strömungsvorgänge, Druckverlust sowie Wärme- bzw. Stoffübergang im technischen Anwendungsbereich dieser Strukturen untersucht. Dabei werden die dimensionslosen Geometrieparameter Wellenlänge lambda/a zwischen 3.56 und 14.25 und die Spalthöhe s/a zwischen 1 und 4 variiert. Die Experimente werden für Reynolds-Zahlen zwischen 50 und 2000 durchgeführt. Im Übergangsbereich zur Turbulenz führt eine zentrifugale Instabilität im Bereich der konkaven Oberflächenbereiche zur Anfachung von Längswirbeln. Die Zentrifugalkräfte, die den Wirbel anregen, lassen sich in einem Stabilitätsdiagramm darstellen. Strömungsvorgänge und Existenzbereich dieser Längswirbel in gewellten Spalt- werden durch die Laser-Sheet-Technik visualisiert sowie durch Laser-Doppler-Anemometrie quantifiziert. Die Sichtbarmachung der Wandvorgänge über Methoden konvektiver Stoffübertragung gestattet eine Übersicht über den Existenzbereich dieser Wirbel sowie über die Strömungsvorgänge bei den unterschiedlichen Geometrie- und Strömungsparametern. Der Anfachungs- und Dämpfungsmechanismus der Wirbel wird untersucht und der Einfluß von Störungen auf die Wirbelentstehung untersucht. Eine erhöhte Effizienz der ineinanderliegenden Struktur auf Grund der Wirbel läßt sich nicht nachweisen. Bei größerem s/a tritt für ineinanderliegender und symmetrischer Anordnung bei transitionaler Strömung quer zur Strömungsrichtung eine Querinstabilität mit sinusförmiger Stoffübergangsverteilung auf. Die Wellenlänge und der Existenzbereich dieser Instabilität wird angegeben und der Entstehungsmechanismus erklärt.

Flow channels consisting of sinusoidal corrugated plates in free-flow arrangement find a large field of application i.e. as plate heat exhangers for fluids in food technology. The aim is an enhancement of heat and mass transfer at moderate pressure losses and a compact construction, compared to the flat duct. In a sytematic analysis, flow phenomena, pressure drop as well as heat and mass transfer are analysed in the field of technical application. The dimensionless geometric parameters wavelength is varied in a range between 3.56 to 14.25 and the spacing s/a between 1 to 4. The experiments were executed for Reynolds-numbers of Re=50 to 2000. In the transtion region to turbulence a centrifugal instability leads to an amplification of longitudinal vortices in the duct. The centrifugal forces, which amplify the vortex, can be described in a stability diagram. Flow phenomena and the range of existence of the longitudinal vortices in sinusoidal corrugated ducts are visualized through Laser-Sheet-Technique as well as quantified through Laser-Doppler-Anemometry. Near-wall phenomena is visualized through methods of convective mass transfer, which allows a swift overview over the range of existence of these longitudinal vortices as well as over the different flow phenomena at various geometric and flow parameters. The amplification and dampening mechanism for these vortices is analysed. The influence of disturbances is investigated. An increased efficiency of the free-flow structures through the Görtler-Dean-vortices could not be proven. For larger spacing s/a both for the free-flow arrangement as well as for the symmetric sinusoidal wavy duct and transitional flow a sinusoidal mass distribution with maxima and minima in spanwise direction results. The wavelength and the range of existence for this spanwise instability is given as well as the flow mechanism explained.