Verdampfung und Kondensation in Plattenwärmeübertragern mit mikrostrukturierter Oberfläche

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des thermohydraulischen Verhaltens bei der Verdampfung und Kondensation in Plattenwärmeübertragern mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit. Für die Analyse der Zusammenhänge von Wärmeübergang, Strömungseigenschaften und Oberfläche wurden zwei Versuchsstände betrieben. In einem optisch zugänglichem Versuchswärmeübertrager konnte die Verdampfung des Kältemittels R365mfc visualisiert werden. Anhand von Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen wurden Keimstellen detektiert und die sich einstellenden Strömungsformen für unterschiedliche Testplatten erfasst. Die untersuchten Platten wiesen jeweils dieselbe makroskopische Winkelwellenstruktur auf, unterschieden sich jedoch in der Mikrostruktur. Neben einer herkömmlichen glatten Platte wurden eine Platte mit gewalzter Mikrostruktur sowie eine laserstrukturierte Platte untersucht. Für eine thermodynamische Bilanzierung wurden zudem die Zustände am Ein- und Austritt des Wärmeübertragers messtechnisch erfasst. Die Visualisierung zeigte eine deutliche Zunahme der Verdampfung für die strukturierten Platten. Im Vergleich zur glatten Platte setzte die Verdampfung bei beiden strukturierten Platten früher ein und die Keimstellendichte war höher. Die Platte mit gewalzter Struktur wies dabei für alle Betriebspunkte die stärkste Verdampfung und höchste Keimstellenzahl auf. Die Steigerung des Wärmeübergangs wurde auch von den gemessenen Zuständen bestätigt. Hier ergab sich eine Steigerung der Wärmestromdichte von bis zu 21%. Ein Unterschied zwischen den verschiedenen Arten der Strukturierung wurde dabei nicht festgestellt. In einem zweiten Versuchsstand wurden industrielle Plattenwärmeübertrager als Verdampfer und Kondensator in einem Kompressionskältekreislauf untersucht. Als Arbeitsfluid diente R134a; die Anlage wies eine maximale Leistung von 55 kWel /150 kWtherm auf. Beide Wärmeübertrager wurden in den Sekundärspalten entlang der Strömungsrichtung mit Temperatursensoren ausgestattet, sodass eine lokale Messung der Wand- und Fluidtemperatur im Spalt möglich war. Anhand dieser Messdaten konnte eine abschnittsweise Bilanzierung des Wärmeübertragers erfolgen und so die starke Abhängigkeit des Wärmeübergangs von den stetig variierenden Strömungsbedingungen während des Phasenwechsels analysiert werden. Für die Untersuchungen kamen verschweißte Titan-Plattenkassetten zum Einsatz, welche dieselbe Winkelwellenprägung wie die der Testplatten des Visualisierungsversuchsstands aufwiesen. Es wurden sowohl glatte Plattenkassetten als auch solche mit gewalzter Mikrostruktur untersucht. Der Betriebsbereich des Kondensators umfasste Massenstromdichten von 40 bis 74 kg/(m²s), Drücke zwischen 6,2 und 9,8 bar sowie Wärmestromdichten von 11 bis 21 kW/m². Die Verdampfung wurde für Massenstromdichten zwischen 40 und 120 kg/(m²s), Drücke von 1,6 bis 3,3 bar und Wärmestromdichten zwischen 10 bis 20 kW/m² untersucht. Im Falle des Kondensators zeigt der Vergleich des lokalen Wärmeübergangs bei glatter und strukturierter Plattenoberfläche keinen signifikanten Unterschied. Die über den Apparat integrierten Wärmeübergangskoeffizienten der strukturierten Platten liegen jedoch leicht oberhalb derer der glatten Platten. Beim Druckverlust ist ein moderater Anstieg beim Einsatz der strukturierten Platten zu beobachten. Bei der lokalen Betrachtung des Wärmeübergangs während der Verdampfung zeigte sich ein deutlicher Unterschied zwischen den verschiedenen Plattentypen. Über den gesamten Betriebsbereich konnten deutlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten bei den strukturierten Platten festgestellt werden. Die mittlere Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten lag dabei im Bereich von 57 bis 71%. Ähnliche Ergebnisse zeigte die integrale Betrachtung. Beim Druckverlust ist z.T. ein leichter Anstieg für die mikrostrukturierten Platten zu erkennen. Neben den experimentellen Untersuchungen enthält diese Arbeit auch eine umfassende Darstellung bisheriger literaturbekannter Arbeiten zur Verdampfung und Kondensation in Plattenwärmeübertragern sowie zur Anwendungspotentialen von Mikrostrukturierungen bei diesen Vorgängen.

The aim of this present analysis has been the experimental investigation of the thermohydraulic performance of plate evaporators and condensers with different surface configurations. Two test stands have been used in order to examine the correlations of heat transfer, flow properties and surface configuration. In an optically accessible test heat exchanger, the evaporation of the refrigerant R365mfc could be visualized. Highspeed videos were used to detect nucleation sites and the resulting flow patterns for different test plates. All investigated test plates had the similar macroscopic corrugation, wheares the microstructure topology was different for all plates. A conventional, smooth plate was compared to a plate with a press-rolled microstructure as well as a laser structured plate. Inlet and outlet conditions of the fluids in the test heat exchanger were measured to enable thermodynamic balancing. The visualization results showed a strong increase in evaporation for the structured plates. Compared tot he smooth plate, the evaporation started earlier and the nucleation site density was higher. The strongest evaporation and highest number of nucleation sites was observed for the plate with press-rolled microstructure over the whole experimental range. The measurement of the thermodynamic states showed an increase in heat flux of up to 21% for both types of microstructure. A second test stand served to investigate industrial plate heat exchangers used as evaporator and condenser in a compression refrigeration cycle with a maximum output of 55 kWel /150 kWtherm. R134a was used as working fluid. Both heat exchangers were equipped with thermocouples, along the direction of flow in the gap of the secondary fluid. In that way, a local fluid and wall temperature were measured along the gap. The measured local temperatures were used to conduct segment-wise calculation of the heat transfer, which enabled the investigation of the correlation of heat transfer and the variant occuring flow patterns during phase change. Titanium welded plate cassetes were used withing the plate heat exchangers. The corrugation parameters were the same as for the plates of the visualization test stands. The experiments were conducted with the smooth plates and the press-rolled microstructured plates. The operation range of the condenser comprised 40 - 74 kg/(m²s), 6,2 - 9,8 bar and 11 - 21 kW/m², in terms of mass flux, operating pressure and heat flux, respectively. The evaporator was investigated within the range mass fluxes of 40 - 120 kg/(m²s), pressures of 1,6 - 3,3 bar and heat fluxes of 10 - 20 kW/m². During condensation, no significant change in terms of local heat transfer was observed for the different surface structures. The integrated values of the heat transfer coefficient showed a slight increase for the structured plates. The two-phase pressure drop increased moderately for the structured plates, as well. During evaporation, the local heat transfer was considerably higher for the structured plate cassettes over the whole range of operation. The mean increase of the heat transfer coefficient layed between 57 and 71%. The values for the integrated heat transfer showed a similar behaviour. In terms of two-phase pressure drop, a slight increase for the microstructure plates was observed for some operating conditions. Additionally to the experimental analysis, a comprehensive literature assessment has been conducted, presenting previously published results for evaporation and condensation in plate heat exchangers as well as corresponding application potentials for microstructures.