1 Hintergrund

Kältemittel werden in großen Mengen in Kühl- und Klimaanlagen sowie in Apparaten der chemischen Prozesstechnik eingesetzt. Dabei wird zwischen synthetischen halogenierten Kältemitteln wie und natürlichen Kältemitteln wie beispielsweise CO2 unterschieden. Im Gegensatz zu den meisten halogenierten Kältemitteln trägt 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 Projektes ist die Beurteilung des Potentials von festen Schwämmen für den Einsatz in Kältemaschinen. 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. Auf beiden Gebieten besteht am Institut eine jahrelange Kompetenz.

Abbildung: Verknüpfung der beiden Kompetenzbereiche „Strömungssieden“ und „feste Schwämme“

Dargestellt sind Beispiele für die Strömungsform des siedenden Kältemittels im Sichtfenster einer horizontalen Rippenrohr-Messstrecke und ein Kupferschwamm. Die beiden Kompetenzbereiche werden in der institutseigenen Versuchsanlage kombiniert, um den Wärmeübergang und den Druckverlust beim Strömungssieden in horizontalen Rohren mit festen Schwammstrukturen zu untersuchen. Blau markiert und verbunden sind im Fließbild die Messgrößen, die zur Bestimmung des Dampfgehalts, der Sättigungstemperatur, des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten, des Druckverlustes und der Strömungsform dienen.

Zunächst soll für die bereits bestehende Versuchsanlage aus vorangegangenen Untersuchungen zum Strömungssieden im innenstrukturierten Rohr (vgl. Abbildung) eine Messstrecke mit Kupferschwämmen konstruiert und gefertigt werden. Nach einer anschließenden Validierung sowie Bestimmung der hydrodynamischen Einlaufstrecke soll eine Datenbank zum Strömungssieden in horizontalen Rohren mit Schwämmen erstellt werden. Die experimentellen Ergebnisse sollen dabei auch durch Daten aus der Literatur, sofern vorhanden, ergänzt werden. Diese Ergebnisse sollen schließlich in Korrelationen für den Druckverlust und den Wärmeübergangskoeffizienten einfließen.