1 Hintergrund

Kältemittel werden in großen Mengen in Kühl- und Klimaanlagen sowie in Apparaten der chemischen Prozesstechnik eingesetzt. Im Gegensatz zu den meisten halogenierten Kältemitteln trägt das natürliche Kältemittel CO2 nicht zur Schädigung der stratosphärischen Ozonschicht bei und weist ein niedriges Treibhauspotential auf. Zudem ist CO2 nicht brennbar und vergleichsweise ungiftig. Unabhängig vom Kältemittel muss das Gesamtsystem energetisch effizient sein, um einen ökonomischen sowie ökologischen Vorteil zu erreichen. Hierfür sind unter anderem der Wärmeübergang und der Druckverlust in diesen Systemen zu optimieren.

Eine derartige Effizienzsteigerung könnte erreicht werden, indem metallische Schwämme (offenzellige Schäume) in die sog. Verdampferrohre innerhalb des Wärmeübertragers integriert werden. Durch den Einsatz von Schwämmen hoher Porosität kann bei gleichzeitig niedrigem Druckverlust die innere Oberfläche vergrößert, die Durchmischung verbessert und die Anzahl der Blasenkeimstellen erhöht werden. 

2 Forschungsarbeiten

Ziel des aktuellen Projektes ist die Beurteilung des Potentials von festen Schwämmen für den Einsatz in Kältekreisläufen. Dazu wird der Einfluss von Schwammstrukturen auf den Druckverlust, den Wärmeübergang sowie die Strömungscharakteristik beim Strömungssieden in horizontalen Rohren untersucht. Dabei sollen sowohl Betriebsparameter als auch Schwammeigenschaften berücksichtigt werden. Damit kombiniert dieses Projekt die Forschungsschwerpunkte Strömungssieden und Untersuchung des Wärmetransports in Schwämmen.

Zunächst wurde die bereits bestehende Versuchsanlage (vgl. Abschnitt 3) so verändert, dass in eine Glattrohrmessstrecke Kupferschwämme eingesetzt werden können. Nach einer anschließenden Validierung sowie Bestimmung der hydrodynamischen Einlaufstrecke soll eine Datenbank zum Strömungssieden in horizontalen Rohren mit Schwämmen erstellt werden. Die experimentellen Ergebnisse werden dabei auch durch Daten aus der Literatur ergänzt. Mithilfe dieser Erkenntnisse können anschließend die verschiedenen Einflussparameter bewertet und Empfehlungen für die Verwendung von festen Schwämmen beim Strömungssieden abgeleitet werden.

3 Strömungssieden am TVT

Das Thema Strömungssieden stellt einen Forschungsschwerpunkt des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik dar. Bereits seit mehreren Jahrzehnten werden hier Modelle zu Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungssieden verschiedener Kältemittel entwickelt und mittels eigener experimenteller Daten überprüft und validiert. Hierfür verfügt das TVT über eine institutseigene Versuchsanlage (s. Abb. 1), welche Wärmeübergangs- und Druckverlustmessungen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen unter isothermen Randbedingungen ermöglicht. Zahlreiche Publikationen von Messungen mit dieser Anlage wurden bereits veröffentlicht, so z.B. Schael und Kind (2004),  Schael und Kind (2005), Wetzel und Wetzel (2012), Wetzel et al. (2014).

          Abbildung 2: Eindrücke der Versuchsanlage zum Strömungssieden von CO₂. 

Abbildung 3: Fließbild der Versuchsanlage. Diese dient der  Untersuchung des Strömungssiedens in horizontalen Rohren. Blau markiert und verbunden sind die Messgrößen, die zur Bestimmung des Dampfgehalts, der Sättigungstemperatur, des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten, des Druckverlustes und der Strömungsform dienen.

5 Wärmetransport in festen Schwämmen

Metallische und keramische Schwämme sind dreidimensionale hochporöse, offenzellige und daher durchströmbare Netzwerkstrukturen. Aufgrund der hohen Porosität besitzen sie einen vergleichsweise niedrigen Druckverlust. Die große spezifische Oberfläche sowie die kontinuierliche feste Phase begünstigen den Wärmetransport. Die möglichen Mechanismen der Beeinflussung des Wärmeübergangs und der Hydrodynamik beim Strömungssieden sind zahlreich. Um ein diese Mechanismen genauer zu untersuchen, werden die Schwämme hinsichtlich Porosität, Geometrie, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenbeschaffenheit experimentell genauer charakterisiert und mögliche Einflüsse experimentell und – in Zusammenarbeit mit Sebastian Meinicke – numerisch validiert.

Abbildung 4: Charakterisierung der Schwammstrukuren. Untersucht werden Kupferschwämme mit verschiedenen Zell­geometrien (links). Numerische Betrachtungen zur Wärmeleitung in der Schwammstruktur helfen, den Einfluss verschiedener charakteristischer Größen der Schwämme auf das Strömungssieden zu bewerten (rechts).

Literaturverzeichnis

Schael, A. E.; Kind, M. (2004): Wärmeübergang und Druckverlust beim Strömungsverdampfen von CO2 im horizontalen Glattrohr. In: Chemie Ingenieur Technik 76 (1-2), S. 90–94.

Schael, A. E.; Kind, M. (2005): Flow pattern and heat transfer characteristics during flow boiling of CO2 in a horizontal micro fin tube and comparison with smooth tube data. In: International Journal of Refrigeration 28 (8), S. 1186–1195.

Wetzel, M.; Dietrich, B.; Wetzel, T. (2014): Influence of oil on heat transfer and pressure drop during flow boiling of CO2 at low temperatures. In: Experimental Thermal and Fluid Science (in press).

Wetzel, M.; Wetzel, T. (2012): Strömungsverdampfen von CO2-Öl-Gemischen im horizontalen Rohr. In: Chemie Ingenieur Technik 84 (8), S. 1424.