Analysis and Modelling of Full-Range Post-Dryout Heat Transfer in Vertical Tubes

Die Forschung zur Wärmeübertragung nach dem Dryout hat sowohl im akademischen, als auch im industriellen Bereich großes Interesse hervorgerufen, da sie für die Bestimmung der maximalen Oberflächentemperatur von Bedeutung ist, die einer der Schlüsselfaktoren für die Auslegung von Dampferzeugern, die Sicherheitsanalyse von Kühlmittelverlustunfällen in nuklearen Reaktoren und die Leistungsevaluierung einiger fortschrittlicher Kernbrennstoffe ist. Der Bereich der Wärmeübertragung nach dem Dryout (Post-Dryout genannt) liegt vor, wenn der Kontakt zwischen dem Flüssigkeitsfilm und der erhitzten Oberfläche nicht aufrechterhalten werden kann und die flüssige Phase nur in Form dispergierter Tröpfchen vorliegt. Trotz umfangreicher Studien in den letzten Jahrzehnten fehlen zuverlässige Vorhersagemethoden für die Wärmeübertragung nach dem Dryout aufgrund der Komplexität der auftretenden Prozesse, insbesondere aufgrund der Schwierigkei-ten bei der Vorhersage des thermischen Ungleichgewichts. Daher werden in der vorliegenden Arbeit ein allgemeines, theoretisches Modell, sowie Skalierungsmethoden für die vollständige Wärmeübertragung nach dem Austrocknen in vertikalen Rohren entwickelt und bewertet. Der gesamte Bereich der Wärmeübertragung im Post-Dryout besteht aus einem „Entwicklungsbereich“ und einem „vollständig entwickelten Bereich“. Sowohl die Definition dieser Begriffe, als auch die Bestimmungsgleichung für die Länge des Entwicklungsbereichs werden in der vorliegenden Arbeit zur Unterscheidung und Quantifizierung dieser beiden Regionen vorgeschlagen. Für die theoretische Modellierung berücksichtigt das vorgeschlagene Modell drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung, i) Wärmeübertragung von der erhitzten Wand zum Dampf, ii) vom Dampf zu den Tröpfchen und iii) Wärmeübertragung durch direkten Kontakt zwischen Wand und Tröpfchen. Alle Arten der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung werden vernachlässigt. Die Forslund-Korrelation (Forslund and Rohsenow, 1966) wird für die Berechnung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) zwischen Wand und Dampf modifiziert, wohingegen zur Berechnung der Wirksamkeit der Wand-Tr¨ opfchen-W¨ armeubertragung das Kendall-Modell (Kendall and Rohsenow, 1978) verwendet wird. Der Strömungsquerschnitt wird in einen Film- und einen Kernbereich unterteilt, wodurch die Auswirkung der Konzentrationsverteilung der Tröpfchen über den Querschnitt auf den Wärmeübergang im Bereich der Grenzflächen zwischen Dampf und Tröpfchen berücksichtigt werden kann. Der Grenzflächen-Wärmeüber-gangskoeffizient wird unter Verwendung der Hughmark-Korrelation (Hughmark, 1967) in Kombination mit einem Abschirmfaktor berechnet. Das vorgeschlagene theoretische Modell wird unter einer Vielzahl von Strömungsbedingungen in mehreren Arten von Flüssigkeiten bewertet. Im Wesentlichen werden vier weit verbreitete Modelle der Post-Dryout Wärmeübertragung, darunter GRO (Groeneveld and Delorme, 1976), CSO (Chen et al., 1979), LCS (Varone and Rohsenow, 1986) und das Modell im ATHLET-Code (Austregesilo et al., 2012) sowie drei Experimente, darunter zwei Versuchsreihen mit gleichmäßigem axialem Wärmestrom nach Becker (Becker et al., 1983) und KIT (Koeckert et al., 2018) sowie ein Experiment mit ungleichmäßigem axialem Wärmestrom nach BeckerII (Becker et al., 1992) zur Bewertung des Modells verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Modell den experimentellen Wärmeübergangskoeffizienten in den Becker-Versuchsreihen im Allgemeinen um 13,82% unterschätzt, wobei der Root-Mean-Square-Fehler (RMS) bei 20,05% liegt. Der experimentelle HTC nach KIT wird durch das vorgeschlagene Modell, bei einem RMS-Fehler von 10,32%, durchschnittlich um 6,86% überschätzt, während der experimentelle HTC in den BeckerII -Versuchsreihen durchschnittlich um 6,74% unterschätzt wird. Der RMS-Fehler liegt hierbei bei 17,65%. Die voranstehenden Abweichungen beziehen sich auf den vollständig entwickelten Post-Dryout Bereich. Die Fluid-zu-Fluid-Modellierung des Post-Dryout Wärmeübergangs zwischen R-134a und Wasser wird in der vorliegenden Arbeit ebenfalls untersucht. Die Skalierungsmethoden werden basierend auf Dimensionsanalysen unter Verwendung des Buckingham-Pi-Theorems entwickelt. Die Skalierungsarbeit beginnt mit der Ableitung dimensionsloser Kennzahlen. Im Anschluss erfolgt eine Auswahl von dimensionslosen Kennzahlen, basierend auf ihrer Bedeutung für die Post-Dryout Wärmeübertragung. Fünf verschiedene Varianten von Skalierungsmethoden können unterschieden und durch einen Optimierungsprozess bewertet werden, wofür eine neue Interpolationsmethode entwickelt und angewendet wird. Die optimierten Skalierungsmethoden werden abschließend anhand experimenteller Versuche überprüft

CFD-Simulation zur Untersuchung des Strömungsverhaltens in Strukturrohren

Die CFD (Computational Fluid Dynamics)-Simulation hat mittlerweile in alle technischen Bereiche Einzug gehalten, in denen die Vorhersage strömungstechnischer Ereignisse relevant ist. Nach wie vor ist allerdings eine Validierung von Rechenergebnissen mit Messdaten unerlässlich, um zu vertrauenswürdigen Simulationsergebnissen zu kommen. Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass die am Markt verfügbare CFD-Software darauf ausgerichtet ist, ein möglichst breites Anwendungsspektrum zu bedienen. Die implementierten Berechnungsmodelle müssen im Rahmen der Modellierung durch die Wahl geeigneter Randbedingungen an den zu untersuchenden Anwendungsfall angepasst werden

Untersuchung innen und außen berippter, rohrförmiger, gasgekühlter Brennelemente

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung eines rohrförmigen innen und außen gekühlten Brennelementes für den Reaktortyp Natururan/Graphit/Gas. An sieben hierfür geeigneten Hüllrohren mit Längs-, Quer- und Pfeilrippen wurden mittlere und örtliche Wärmeübergangszahlen und mittlere Druckverlustbeiwerte gemessen. Die Untersuchungen erfolgten bezüglich Kühlgas, Druck, Temperatur, Massenstrom und Heizleistung unter Reaktorbedingungenim Hochdruckgaskreislauf des Instituts für Reaktorbauelemente. Die Aufteilung des Kühlgasmassenstromes in einen turbulenten inneren und äußeren Teilstrom wurde theoretisch berechnet und experimentell überprüft. Zur Beurteilung der einzelnen Rippenformen wurden in einer Rechnung Wärmeleistung, Gebläseleistung, Uran-, Rippenrohr- und Gastemperatur für einen vereinfachten Reaktorkühlkanal mit Originalabmessungen bestimmt. Die höchste Wärmeleistung wird unter Einhaltung aller Grenzen erreicht, wenn das Uranrohr außen und innen mit Pfeilrippenrohren umhüllt wird. Eine nur 11 % geringere Wärmeleistung wird erzielt, wenn das Uranrohr innen mit einem Längsrippenrohr umhüllt wird. Berücksichtigt man, daß beim Längsrippenrohr die erforderliche Gebläseleistung niedriger und die Herstellungskosten bedeutend geringer sind als beim Pfeilrippenrohr, so erkennt man, daß auch Längsrippenrohre als Innenhüllrohre durchaus geeignet sind

Neuartige Plattenwärmeübertrager - Teil B: Zum Einfluss von Bypass-Strömung auf Druckverlust und Wärmeübergang in Plattenwärmeübertragern

Im Rahmen von experimentellen Leistungstests an Plattenwärmeübertragern tritt u.a. die Frage nach dem Einfluss von Bypassströmungen im Mantelraum auf. Zweifellos werden sowohl Druckverlust als auch Wärmeübergang davon beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Frage nachgegangen werden

Forschungsprojekt „Neuartige Plattenwärmeübertrager“ FKZ 1711203/BMBF-AiF

Plattenwärmeübertrager bieten gegenüber Rohrbündelapparaten technische Vorteile durch effektivere Wärmeübertragung und damit verbunden Kostenvorteile. In den letzten Jahrzehnten haben gedichtete Plattenwärmeübertrager erhebliche Marktanteile gewonnen. Bedingt durch ihre Bauart aus geprägten Wärmetauscherplatten und Abdichtungen mittels Elastomerdichtungen sind sie in ihren Anwendungsmöglichkeiten jedoch auf einen Temperaturbereich zwischen –10 °C bis 160 °C begrenzt. Durch die Entwicklung eines neuartigen Fertigungsverfahrens zum automatischen Verschweißen von Einzelplatten zu Plattenpaketen werden die Produkträume statt mit Dichtungen durch das Verschweißen der Platten gegeneinander abgedichtet. Dieser kompakte Apparat ohne jegliche Dichtungen kann bei niedrigeren und höheren Temperaturen und hohen Drücken eingesetzt werden. Damit eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten in der Kälteindustrie, der chemischen Industrie, in der Prozesstechnologie – hierbei insbesondere im zweiphasigen Nassdampfbereich – und im Bereich der Nahrungsmittelproduktion

Praxisseminare in der Lehrerbildung

In der Literatur wird vielfach ein Praxisschock beschrieben, den angehende LehrerInnen beim Übergang vom Studium in das Referendariat erleben [1, 2]. Daher wird vielfach gefordert, im Stu-dium mehr praktische Erfahrungen zu ermöglichen. Untersuchungen zeigen jedoch auch, dass die-se nur dann zur Verbesserung der Lehrerausbildung beitragen, wenn sie theoretisch fundiert und didaktisch reflektiert werden [3]. Unreflektierte Praxisphasen wie z.B. nicht begleitete Schulprak-tika können im ungünstigen Fall sogar zu einer Deprofessionalisierung führen, verbunden mit ei-ner Abkehr von einer theoriegeleiteten Fundierung didaktisch-pädagogischer Entscheidungen [4, 5]. Im Projekt „MINT-Lehrerbildung neu denken!” werden an der Freien Universität Berlin die Pra-xisphasen im Lehramtsstudium durch neu eingerichtete Praxisseminare ausgebaut [6]. In diesen Seminaren entwickeln Lehramtsstudierende der Physik im Schülerlabor PhysLab eigene Unter- richtskonzepte und erproben sie mit Schulklassen. Weitere Praxisseminare für Lehramtsstudieren-de anderer Fächer werden in den Partnerlaboren NatLab (Chemie, Biologie) und MI.Lab (Mathe-matik, Informatik) angeboten. Ein Schülerlabor bietet vielschichtige Ressourcen als Lernort für Studierende. Es ermöglicht beispielsweise zusätzliche Freiheitsgrade bei der Wahl der Themen, Methoden oder Materialien und stellt eine ‚geschützte’ Umgebung zur Erprobung neuer Unter-richtskonzepte dar. Durch die Praxisseminare im Schülerlabor soll insbesondere die Kompetenzentwicklung der Stu-dierenden in den Bereichen Fachwissen, fachdidaktisches und pädagogisches Wissen unterstützt werden sowie eine forschend-reflexive Haltung durch Planung, Durchführung und Beobachtung von Unterricht mit anschließender Reflexion der Lehr-Lern-Prozesse gefördert werden. Im Rahmen einer Begleitstudie wird untersucht, inwieweit sich das entwickelte Konzept der Pra-xisseminare eignet, die Professionalisierung von Lehramtsstudierenden zu unterstützen und damit einen Beitrag zur Verbesserung der Lehrerbildung zu leisten. Das Konzept des Praxisseminars Wärmeübertragung wurde bereits ausführlich vorgestellt [6]. In diesem Beitrag soll nun der Ansatz der Begleitforschung zur Wirksamkeitsüberprüfung der Praxis-seminare vorgestellt werden

Einfluss der Werkzeuggeometrie auf die Wärmeübertragung in Conchen

Eine kontrollierte Temperaturführung ist für die Endveredelung der Schokolade entscheidend. Hierfür ist die Verbesserung der Wärmeübertragung im Conchierprozess maßgeblich. In dieser Arbeit werden Strömungssimulationen vorgestellt, die zeigen, dass die Wärmeübertragung durch Staueffekte am Werkzeug mehr begünstigt wird als durch direkten Abtrag. Experimentelle Untersuchungen bestätigten dies