Reiss, F.E.

Schretzmann, K.

English

Reiss, F. E.

KITopen

April 1971Institut für Neutronenphysik und ReaktortechnikSiedeversuche an offenen RillenkapillarverdampfernF. E. Reiß, K. SchretzmannKFK 1414Sonderdruck aus der Zeitschrift "Forschung im Ingenieurwesen"Bd.37 (1971) Nr. 2, S.55-58DK 536.423.1 : 62-415-408.8: 532.631Siedeversuche an offenen RillenkapillarverdampfernVon Friedrich Ernst Reiß und Klaus Schretzmann, KarlsruheAus offenen Rillenkapillarverdampfern wurde Wasser verdampft. Messungen lieferten den Wasser·oerbrauch. und die Verdampfertemperatur in Abhängigkeit von der zugeführten Heizleistung. Der ebenfallsqemeeeene Druckoerlau] in den .l(apillaren beim Austrocknen der Verdarapjer ließ sieh rn'it Krüramungs..änderungen der Flüssigkeitsoberfläche erklären. Untersuchungen zum Spritzen der Verdampfer wurdenebenfalls vorgenommen.1. VersuchsanordnungZum Untersuchen derWarmeübertragung und des Ver-dampfungsvorgangs bei Kapillarverdampfern dienten ebeneKapillarverdampfer mit Rillen, in denen man Wasser unterfreier Atmosphäre verdampfte. Bild 1 zeigt die Bauartder verwendeten Verdampfer. Ein etwa 25 mm x 50 mmBild 1..Rillenkapillarverdampfer.großes, etwa 1,5 mm dickes Blech enthält durch Einsägenhergestellte, rd, 1 mm tiefe und untereinander paralleleRillen. Die Breite der Rillen und der sie trennenden Stegeist innerhalb bestimmter, von der Fertigungstechnik ge-setzter Grenzen frei wählbar. Auf der Rückseite der Ver-dampferfläche setzen Stromzuführungsschienen verhältnis-,mäßig großen Querschnitts an. Die beheizte Länge zwischenden Anschlüssen beträgt 20 mm, Zwischen den Strom-zuführungen befindet sich ein eingeschraubter, elektrischisolierender Klotz aus Pertinax, der die dünne Verdampfer-fläche mechanisch entlastet. Die Stromzuführungen sindso angeordnet, daß ein Teil der Kapillarfläche unbeheiztübersteht. Auf diesen Teil wird das zu verdampfendeWasser aufgegeben; mitunter ist zusätzlich eine aus Blechgebogene Aufgabemulde angebracht... Die Verdampferfertigte man einschließlich der Zuleitungen - aus einemStück; als Werkstoffe dienten bisher Messing Ms 58 undrostfreier Stahl WSt Nr. 1.4541.Die Verdampfer wurden an die einwindige Sekundär.wicklung eines 12-kW-Schnittbandkerns angeschlossen unddurch direkten Stromdurchgang beheizt. Bild 2 zeigt denVersuchsaufbau. Die Heizströme von' einigen 1000 Awurden durch den Spannungsabfall an einem wasser-gekühlten Meßwiderstand ermittelt. Die im Verdampferumgesetzte Heizleistung berechnete man aus der gemesse-nen Heizstromstärke und dem aus den Abmessungenberechneten Wirkwiderstand des Verdampfers für eineWerkstofftemperatur von 100 "C.1Heizleistungsdichte mit der Gesamtoberfläche des Ver-dampfers. Der Einfluß der Kapillarstruktur, soweit sie fürdie Nachförderung von Flüssigkeit nötig ist, wurde durcheine waagrechte Anordnung des Verdampfers und insgesamtkurze Förderwege weitgehend ausgeschaltet.3. Verdampfertemperatur und SiedekennlinieBei kleinen q-Werten steigen die Temperaturen desWassers und des Verdampfers noch deutlich mit der Heiz-leistungsdichte an. Bild 4 zeigt dies für einen Verdampferaus rostfreiem Stahl. Dabei wurden die Wassertemperaturmit einem feinen Thermoelement in einer Rille etwa imMittelpunkt der Verdampferfläche und die Heizertempe-ratur auf der Unterseite der Verdampferfläche (etwa in derMitte) durch ein aufgepunktetes Thermoelement gemessen.Wenn sich Sieden des Wassers einstellt, kann bei einer.Leistungserhöhung die Mehrleistung auf Grund einer ver-hältnismäßig kleinen Temperaturerhöhung des Verdampfersan das Wasser abgegeben werden. Die Wärmeableitungzu den auf der Kühlwassertemperatur gehaltenen An-schlüssen des Verdampfers erhöht sich dadurch nur wenig.Bild 3. Spezifischer Wasserverbrauchrh von Rillenver-dampfern in Abhängigkeit von der. Heizleistungsdichte q.IIdealgerade, II Ausgleichskurve dui-ch die Meßpunkte für Messing-Verdampfer; Bedeutung der Meßpunkte:Stegbreitemm10 Wjcm8 10 2 ~ 8Heizleisfuh!Jsdichle rtWerkstoff I . AbmessungRillenbreite I RillentiefeI mm I mm-l1eßwerte:_x IL~ b /-. c joo iL• e//~/ /. / /IlyV //.r I.",x.o:ViV J/ x/ x ".j/V //1 4.0 8 11 8 2 2 32a Stahl 0,8 0,95 0,5b Messing 0,28 0,90 0,22c"0,28 0,90 0,5d"0,28 0,90 1,0e"0,28 0,90 2,0Bezeich-nung.~10-188Bild 2. Versuchsaufbau mit betriebsfertig angeschlossenemVerdampfer.2. WasserverbrauchAn einer Anzahl von Verdampfern wurde ermittelt, wieder Wasserverbrauch im stationären Betrieb von der zu-geführten Heizleistung abhängt. Bild 3 zeigt die gefundeneAbhängigkeit. Sowohl die auf der Abszisse aufgetragene,dem Verdampfer zugeführte Bruttoheizleistungsdichte qals auch der auf der Ordinate aufgetragene spezifischeWasserverbrauch rh sind auf die Gesamtfläche des Ver-dampfers bezogen. Die in das Bild eingezeichnete Gerade Istellt den Idealzustand dar, daß gerade soviel Wasser ver-dampft, wie der zugeführten elektrischen Heizleistungs-dichte entspricht. Kurve II gleicht die Meßpunkte für dieMessing-Verdampfer aus.Bei kleinen Leistungsdichtenist rh infolge der Verlustedurch Wärmeableitung in die Anschlüsse und durch Kon-vektion erheblich kleiner als der zugeführten Heizleistungentspricht. Bei Verdampfern aus rostfreiem Stahl sind dieVerluste durch Wärmeableitung erwartungsgemäß deutlichkleiner als bei Messing-Verdampfern, wie die eingetragenenMeßpunkte zeigen. Bei großen Heizleistungsdichten liegtder Wasserverbrauch des Verdampfers merklich höher alsder zugeführten Heizleistung entspricht, weil das schonbei verhältnismäßig kleinen Leistungsdichten einsetzendeund immer weiter zunehmende Spritzen des Verdampferseinen erheblichen Teil des erst etwas angewärmten Wassersabführt. Die obere Schranke für den zur Dampferzeugungverwendeten spezifischen Wasserstrom ist durch die ein-gezeichnete Idealgerade I gegeben. Bei der höchsten, hiererreichten Wärmeleistungsdichte von 212 W Icm2 verspritztder Verdampfer etwa drei- bis viermal soviel Wasser wieer verdampft. Diese Erscheinung ist qualitativ durchvisuelle Beobachtungen an mit Wasser betriebenen Wärme-rohr-Verdampfern [1] und an Quecksilber-Wärmerohren [2]bekannt,Bei Leistungsdichten, die etwas unter den für den Ein-satz des Spritzens nötigen Werten liegen, erscheinen Blasen,die beim Aufsteigen aus den Rillen Flüssigkeit aus diesenheraus auf die Stege drücken. Der Verdampfer ist dannauf seiner' .gesamten Oberfläche benetzt und verdampft.ohne Rücksicht auf die Einzelheiten der Kapillarstruktur.Dies gilt bis zu den höchsten, bei den beschriebenen Ver-suchen erreichten Leistungsdichten, wie Bild 3 zeigt, undrechtfertigt bei diesem Betriebszustand das Berechnender220f---t---f--+----jr--l----j---+-+--+---iQOf----t----+--+--+-+----+----+-+--+-ein Teil der Siedekennlinie des Kapillarverdampfers auf-zeichnen, Bild 5. In doppeltlogarithmischem Maßstabwurde hier über der Differenz der Temperaturen von Wandund Wasser die an das Wasser übertragene Leistungsdichte qfür einen Verdampfer nach Bild 1 aus rostfreiem Stahl mit18 Rillen aufgetragen. Die höchste Leistungsdichte (bezogenauf die Gesamtoberfläche) betrug hier 91 WJcm2 • Der beidiesem Versuch verwendete Heiztransformator ließ keinehöhere Leistung zu. Die im Schrifttum angegebenen Siede-kennlinien von Verdampfern mit glatten Oberflächen beimBehältersieden weichen sehr voneinander ab. In Bild 5wurden eine aus den Wärmeübergangswerten nach [3; 4]berechnete Siedekennlinie a und die Siedekennlinie b nach[5] eingezeichnet. Die Meßergebnisse liegen innerhalb desSchwankungsbereichs der beiden Linien a und b.Die auf der Abszisse in Bild 5 aufgetragenen Temperatur-differenzen für die Meßpunkte sind mit einer hohenUnsicherheit behaftet, weil die Fühlstelle des für die Tem-peraturmessung auf der Heizerunterseite benutztenThermo-elcments etwa so breitwie die Rille des Verdampfers war.Damit bleibt unklar, zu welchem Punkt des Temperatur-feldes der Heizerunterseite die gemessene Temperaturgehört bzw. welchen Abstand zur wasserbenetzten Ober-fläche des Heizers man bei der Berechnung der Temperatur-differenz im Heizerwerkstoff benutzen soll.~ 8 8 101Heiz/eisfungsdiahfe erO~oL-o;;'---'--'--------'---'---l--l~--L---l.--------!--'-~160',---r---,-----,--",-----,-------r----,--,--,-cUOf---+----+---t-Hf----!--=-------!---c=...-i"'O;4---iBild 4. Temperatur t an einem Heizer in Abhängigkeit vonder Heizleistungsdichte q.Werkstoff: rostfreier Stahl; Rillenbreite 0,8 mm, Rillentiefe 0,95 mm,Stegbreite 0,5 mm; a Wasser, b Heizerrückseite.1-.-. -e-......-.Bei hohen Leistungsdichten (>25 WJcm2 ) fällt der Anteilder Wärmeableitung in der Auftragung von Bild 3 nichtmehr ins Gewicht.Aus dem Wärmefluß an das Wasser und der in Bild 4gemessenen Temperatur der Heizerunterseite kann mandie Temperaturdifferenz quer durch den Heizerwerkstoffabschätzen sowie hiermit aus den gemessenen Temperaturender Heizerunterseite die Temperatur der dem Wasser zu-gewendeten Oberfläche ausrechnen. Zusammen mit denebenfalls in Abhängigkeit von der Heizleistungsdichtegemessenen Wassertemperaturen läßt sich aus diesen Daten4. DruckverlaufDie Untersuchungen erstreckten sich weiter auf denDruckverlauf in der Flüssigkeit beim Austrocknen des Ver-dampfers. Dazu wurde mit einem Quarzdruckaufnehmer derDruck am Rillengrund gemessen. Zur Druckentnahmediente eine im Rillengrund eingelötete Injektionsspritzen-kanüle (vgl. Bild 1). Zwecks Vermcidens von zusätzlichenMenisken, deren Krümmungsänderung während der Mes-sung das Ergebnis verfälschen würde, hatte man dasgesamte Meßsystem (Quarzdruckaufnehmer, Schlauch,Kanüle) mit einer zusammenhangenden Wassersäule ge-Bild 5. Siedekennlinie eines Rillenverdampfers.Verdampferflüssigkeit Wasser unter Atmosphärendruck, Verdampfer-werkstoff und Rillenabmessungen wie bei Bild 4; tv und tw Temperaturder Verdampferoberfläche bzw. des Wassers, a Siedelinie nach [3; 4],b Siedelinie nach [5]; die Punkte entsprechen den Meßwerten.bfüllt. Bild 6 zeigt das Schema der Druckentnahmestelle.Die Zeitkonstante des nur quasistatische Messungen zu-lassenden Quarzsystems (einschließlich des Verstärkers) lagum mindestens eine Größenordnung über der Dauer einer"Austrocknung", die zwischen 20 und 200 s betrug.Bild 7 zeigt den grundsätzlichen Verlauf der erhaltenenDruckkurven. Als Nullpunkt vfür den Druck gelte derZustand des mit ebener Oberfläche gefüllten Verdampfersbei Punkt a. Verdampft man, ohne Wasser nachzufüllen,so wird sich die Wasseroberfläche in die Rille zurückziehenund krümmen. Der Druck in der Flüssigkeit sinkt. DieserUnterdruck ist es, der im Wärmerohr Flüssigkeit in denVerdampfer nachsaugt. Der Druck fällt bis zum Punkt bmehr oder weniger regelmäßig um einen von der Rillen-breite abhängigen Betrag ab. Eine visuelle Beobachtungder Verdampfer zeigt, daß in diesem Zustand die Flüssigkeitin der Rille bis zum Rillenboden abgesunken ist. EinenAugenblick später reißt der den Rillenboden noch be-netzende Flüssigkeitsfihn auf. Der Rillenboden wirdBild 6. Schema der Druckentnahmestelle am Rillenver-darnpfer.aStege, b Kanüle~ 8 8 101 2Temperafurdifferenz tv-tTlT11~ b2~ / \··1 V/ • 1/\ 1\•11j \ \J ~J. ·1 \1I • IJ . / " <,/ '/-, t-•Ir· I1•/ 1/1083Bild 7. Druckverlauf beim Trockenfahren wassergefüllterRillenkapillaren.a bis d im Text erläuterte Stellen; Gegenüberstellung der gemessenenund der berechneten Drücke:I Kapillardruck der RilleKapillardruck derBohrungRillenbreite (0,3 mm Dmr.)IgemessenIberechnet gemessenIberechnetmm =WS mmWS =WS mmWS1,0 13 12 76 800,5 30 24 82 800,28 46 48 75 805. Einsetzen des SpritzensEs wurde versucht, ein Kriterium für das Einsetzen desSpritzens zu gewinnen. DerSpritzbeginn hängt nicht ineinfacher Weise mit der Leistungsdichte und der Rillen-breite zusammen. Man kann bei gleichen sonstigen Bedin-gungen den Spritzbeginn zu höheren Leistungsdichten hinverschieben, wenn man die Durchgänge verengt, durch dieder Dampf entweicht. Es wurden in die Rillen verschiedenerVerdampfer Blechstreifen oder Runddrähte eingelegt (unddabei sichergestellt, daß in diesen Einlagen keine zusätz-liche Leistungserzeugung auftrat). Durch diese Verengungder für den Dampfaustritt wichtigen Spalte auf rd, 1/5 dertrocken; der Meniskus springt in die Druckentnahme-bohrung zurück, Punkt c. Um ein Überhitzen des nuntrockenen Verdampfers zu vermeiden, wird er wieder biszum Herstellen der ebenen Oberfläche geflutet, Punkt d.Aus Bild 7 kann man die gemessenen Druckunterschiedevom vollen Verdampfer bis zur gerade noch benetztenRille sowie den Drucksprung für den Rückzug des Meniskusin die Druckentnahmebohrung für drei verschiedene Rillen-breiten im Vergleich mit berechneten Werten ersehen. Dabeiwurde für die Rechnung vollständige Benetzung und fürdie Rille eine halbzylindrische, für die Bohrung eine halb-kugelige Form des Meniskus angenommen. Für die Ober-flächenspannung des Wassers legte man den Wert bei100°C zugrunde. Die Übereinstimmung zwischen gernesse-nen und berechneten Werten ist brauchbar.Die durch Krümmungsänderungen hervorgerufenenDrucksprünge überwiegen bei weitem alle anderen Effekte.So betrugen die Änderung 'des "hydroste.tischen Drucksbeim Austrocknen der Rille rd. 1 mm WS, die dynamischeDruckerniedrigung in der Strömung zwischen 10-4 und10-5 mm WS sowie der Druckabfall in Strömungsrichtung(laminarer Fall, 1 ~ Re ~ 5 mit Re als der Reynoldszahl)etwa 0,3 mm WS/cm bei 2 cm insgesamt beheizter Länge.F 2489Eingegangen am 28. 10. 19706. Schrifttum[1] Bähr, A., E. Burclc u. W. Hufschmidt: Liquid-vaporinteraction and evaporation in heat-pipes. SecondInternat. Conf. on Thermionic Electrical Power Genera-tion, Stresa 1968. Ispra: Euratom 1968.[2] Deverall, J. E.: Mercury as a heat pipe fluid. LosAlamos Scientific Lab. Univ. of Calif., Los Alamos,New Mexico. LA-4300, Okt. 1969.[3] Gröber, H., S. Erk u. U. Grigull: Die Grundgesetze derWärmeübertragung. 3. Aufl. Berlin, Heidelberg, NewYork: Springer-Verlag 1961.[4] Earber, E. A., u. R. L. Scorah: Heat transfer to waterboiling under pressure. Trans. Amer. Soc. Mech. Engrs.(ASME) 70 (1948) Nr. 5 S. 369/84.[5] VDI-Wärmeatlas. Düsseldorf: VDI-Verlag 1963.[6] Streeter, V. L.: Fluid mechanics. 4. Auf!. New York,Toronto, London, Sydney : McGraw-Hill Book Comp,1966.Breite der gesamten Rille stieg die zum Spritzen nötigeLeistung um Faktoren zwischen 2 und 4. An Verdampfern,die sich nur in der Rillenbreite unterscheiden, steigt diezum Spritzen nötige Leistungsdichte mit abnehmenderRillenbreite, z. B. von 2 W/cm2 bei 1 mm Rillenbreite aufetwa 10 W/cm2 bei 0,28 mm Rillenbreite. Die Rillentiefebeträgt dabei einheitlich etwa 1 mrn. Dagegen spritzt eineebene beheizte Fläche, die von 1 bis 2 mrn Wasser über-deckt wird, bei Leistungsdichten Ulll 15 W /cm2 • Die Tropfenim Sprühnebel werden mit abnehmender Breite der Dampf-passagen kleiner.Ein Kriterium, ob die Trägheitskräfte der durch dieDampfblasen gerührten Flüssigkeit die Oberflächenkräfteüberwiegen, ob sich also Tropfen ablösen können, gibtnach [6] die Weberzahl We = (J v 2 l/a mit (J als der Flüssig-keitsdichte, a als der Oberflächenspannung, v als einercharakteristischen Geschwindigkeit und l als einer charak-teristischen Länge der Siedeanordnung.Man kann von der Vorstellung ausgehen, daß die sicham Rillengrund bildenden Blasen der Flüssigkeitsoberflächeentgegenwachsen. Wenn der obere Rand der Blase dieFlüssigkeitsoberfläche durchbricht, zerreißt der Flüssig-keitsfihn; von den zurückweichenden Flüssigkeitsrändernwerden die Spritztropfen abgerissen oder abgeschleudert.Die Grenze für den Beginn des Spritzens (We = 1) wurdefür mehrere Rillenbreiten unter der Annahme abgeschätzt,daß v die Geschwindigkeit der oberen Grenzfläche der inder Rille wachsenden und aufsteigenden Blase und l dieRillenbreite sei. Für Rillenbreiten von 1 mm ergibt sichdie nötige Geschwindigkeit zu v = 24 eca]« oder bei einemAufstieg von 1 mm in der Rille eine Lebensdauer der Blasevon etwa 5 ms; für einen Verdampfer mit 0,28 mm breiterund 1 mm tiefer Rille erhält man analog ein Zeitintervallvon rd. 18 ms bei Spritzbeginn.Es wurde die Feinstruktur des Drucksignals (Bild 7)untersucht. Allerdings konnte man infolge des 50-Hz-Brumms der Verdampferheizung die volle Empfindlichkeitnicht ausnutzen. Wenn die Verdampfer spritzen, läßt sichnoch eben ein Signal mit einer Zeitdauer von etwa 10 mserkennen (einheitlich bei Verdampfern von 1, 0,5 und0,28 mm Rillenbreite und unabhängig von der um einenFaktor 4 variierten Gesamtleistung). Die Untersuchungenhierzu laufen weiter.cIZeif-b______c:-_......._~~--~---------~--~----ommWS-aot-----------ID3S Recht einer jeglichen weiteren Vervieliältigung dieses Sonderdruckes sowie sein Vertrieb gegen Entgelt bleiben der VDI-Verlag GmbH vorbehalten.c VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf

Siedeversuche an offenen Rillenkapillar- verdampfern

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/270004427/3810549

Siedeversuche an offenen Rillenkapillar- verdampfern

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

KITopen