Fallfilmverdampfung viskoser Reinstoffe unter Berücksichtigung der Einlaufgeometrie

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Fallfilmverdampfung viskoser Reinstoffe mit besonderem Fokus auf die Einlaufgeometrie. Zur Messung des Wärmeübergangs wurde ein Einrohr-Fallfilmverdampfer aus Edelstahl aufgebaut und betrieben. Der Wärmeübergang wurde mit Wasser und den viskosen Medien Propylenglykol und Cyclohexanol untersucht. Zur Variation der Einlaufgeometrie dienten ein Glattwehr und ein Turmwehr. Außerdem wurde die Fluiddynamik des Rieselfilms in Abhängigkeit von der Einlaufgeometrie im oberen Bereich einer unbeheizten Anlage untersucht. Eine computergestützte Methode zur Auswertung von fotografischen Aufnahmen wurde entwickelt, um die Fluiddynamik von Wasser/ Polyvinylpyrrolidon Lösungen zu analysieren.

Die Ergebnisse der Experimente zum Wärmeübergang zeigen, dass für viskose Medien die Korrelationen nach VDI Wärmeatlas [Schnabel et al., 2006, Abschnitt Md] nicht hinreichend zuverlässig sind. Ebenso können die Korrelationen nach Alhusseini [Alhusseini, 1995] und Weise [Weise, 2007], die für viskose Medien entwickelt wurden, die experimentell ermittelte Nusselt-Zahl sowohl qualitativ als auch quantitativ nicht zufriedenstellend beschreiben.

Die Wärmeübergangsmessungen lassen erkennen, dass die Geometrie der Anlage, speziell die Einlaufgeometrie einen signifikanten Einfluss auf den integralen Wärmeübergangskoeffizienten bei der Verdampfung viskoser Medien hat. Durch den Einsatz des Turmwehrs konnte der Wärmeübergangskoeffizient bei erhöhten Prandtl-Zahlen und hohen Reynolds-Zahlen maßgeblich erhöht werden. Der Vergleich der Anlagenkonfigurationen von Alhusseini und Weise zeigt, dass die Rohrlänge den integralen Wärmeübergang ebenfalls beeinflusst.

Die Messungen der Fluiddynamik lassen erkennen, dass es im Bereich nach der Filmaufgabe zu einer wellenfreien Zone kommt. Die Länge dieser Zone schwankt stark. Der Mittelwert ist abhängig von der Berieselungsdichte, der Viskosität des Mediums und auch von der Einlaufgeometrie.

In einem ersten Modellierungsansatz wurde das Modell nach Alhusseini modifiziert, so dass die experimentellen Daten beschrieben werden. Eine hohe Zahl an Fallunterscheidungen ist nötig, um die experimentellen Daten nach diesem Ansatz wiederzugeben. In einem zweiten Ansatz wurde eine Modellierung durch die Isolierung der Einflussgrößen vorgenommen. Die ermittelten Modellgleichungen beschreiben die experimentellen Ergebnisse stoffunabhängig mit einer Genauigkeit von ±15 %.