Simulation von Wärmeübergangsphänomene



© Chu, IKE

Die Effizienz eines Wärmeübertragers kann sich stark mit den Betriebsbedingungen ändern. Bei superkritischem Druck kommt es häufig zu einer starken Verschlechterung des Wärmeübergangs, welche seine Funktion wesentlich beeinträchtigt. Um dieses spezielle Phänomen in engen Kanal- und Rohrströmungen (Durchmesser ca. 1-5 mm) zu untersuchen, werden Direkte Numerische Simulationen von Kohlendioxid (CO2) bei überkritischem Druck von 80 bar in einem beheizten, vertikalen Rohr durchgeführt. Für den Fall der aufwärts gerichteten Strömung kann sowohl die Verschlechterung des Wärmeübergangs beobachtet werden, als auch die Verbesserung.

Die Verschlechterung ist im Rohr links zu beobachten, in das das überkritische CO2 von unten einströmt. Nach dem Eintritt der turbulenten Strömung ist das Rohr kommt es aufgrund der mit der Aufheizung verbundenen Expansion zu einer Beschleunigung die Strömung und damit verbunden zu einer Relaminarisierung: Die Anzahl der Turbulenzstrukturen nimmt ab. Im oberen Bereich des Rohres bildet sich die Turbulenz neu aus und der Wärmeübergang nimmt wieder zu.

Auf der rechten Seite wird der Wärmeübergang bei einer abwärts gerichteten Strömung von vorneherein verstärkt. Dieses Phänomen kann in dem rechten simulierten Rohr beobachtet werden, bei dem das überkritische CO2 von oben einströmt. In der vorherrschenden instabilen Schichtung tritt Relaminarisierung nicht auf.

Durch weitere Analysen von Turbulenzstatistiken kann nachgewiesen werden, dass der hydrostatische Auftrieb, der durch Dichteänderungen über den Rohrradius erzeugt wird, verantwortlich für die dramatische Änderung des Wärmeübergangs ist. Die so erhaltenen Wärmeübergangsstatistiken werden nun verwendet, um ein neues Berechnungsmodell zu entwickeln, um den Wärmeübergang und die Wandreibung von Strömungen mit überkritischem CO2 in Zukunft korrekt vorhersagen zu können.

 



Uz gibt die Geschwindigkeit in Strömungsrichtung [m/s] an!



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