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Matthias Merzsch

• In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar im Hinblick auf das Wärmeübertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierfür eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenströmungen sowie zum Wärmeübertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Phänomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgrößen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobson/Chato sowie Huhn gegenübergestellt. Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daranIn der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar im Hinblick auf das Wärmeübertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierfür eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenströmungen sowie zum Wärmeübertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Phänomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgrößen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobson/Chato sowie Huhn gegenübergestellt. Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daran anschließend bei der experimentellen Bestimmung der beiden Zielgrößen - spezifischer Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient - bei absoluten Sattdampfdrücken zwischen 4…10 bar und Eintrittsgeschwindigkeiten bis 21,5 m/s. Die Entwicklung und die Errichtung der hierzu erforderlichen Versuchsapparatur erfolgten im Rahmen dieser Arbeit. Mit acht geometrisch identischen Doppelrohrwärmeübertragern (Innendurchmesser Kondensationsrohr: 20,5 mm) lassen sich die benötigten lokalen Temperaturinformationen in Abhängigkeit des Kondensationsfortschrittes generieren, indem unter Konstanthalten der Ein- bzw. Austrittsbedingungen (Sattdampfdruck und -massenstrom, Kühlwassertemperatur und -durchsatz) die Anzahl durchströmter Wärmeübertrager variiert wird. Mit in Summe 63 Versuchspunkten bei drei Druckstufen und jeweils fünf Eintrittsgeschwindigkeiten werden 15 Wärmeübergangs- und Druckverlustverläufe als Funktion des Kondensatanteils bzw. der Rohrlängskoordinate ermittelt. Der Vergleich der experimentellen Befunde mit den vorgestellten und bekannten Theorien zeigt zum Teil starke Abweichungen und nicht wiedergegebene Abhängigkeiten. Die mittleren relativen Abweichungen zwischen experimentellen und von den bestehenden Modellvorstellungen berechneten Wärmeübergangskoeffizienten liegen zwischen 16…42 %. Ausgehend von den experimentellen Befunden dieser Arbeit werden Berechnungsgleichungen für den lokalen Wärmeübergangskoeffizienten sowie den spezifischen Druckverlust entwickelt. Der darüber hinaus durchgeführte Abgleich mit experimentellen Befunden aus der Literatur führt dazu, dass ein breiterer Parameterbereich erfasst wird, als der in dieser Arbeit experimentell untersuchte. Die entwickelten Berechnungsmodelle ermöglichen eine deutlich bessere Vorhersage von Wärmeübergang und Druckverlust als die bestehenden Modellvorstellungen. Aufgrund der komplexen Phänomenologie des Kondensationsprozesses im horizontalen Rohr bleibt eine Extrapolation dennoch mit Risiken verbunden. Die empfohlene Vorgehensweise zur Weiterentwicklung des Wissensstandes auf diesem Gebiet wird im Ausblick der Arbeit gegeben.…
• In this dissertation, the condensation of water vapour in a horizontal pipe at pressures up to 10 bar is investigated with regard to the heat transfer behaviour and the resulting pressure differences. In order to create an appropriate starting point, the first part of the work summarizes and discusses the already published experimental studies on the topic. Subsequently, the existing theoretical foundations of the hydrodynamics and the heat transfer behaviour of two-phase flows are presented. In each case, attention is drawn to the existing difficulties in the physical description of the phenomena and the associated uncertainties in the calculation of target values. To calculate the friction pressure loss, the models of Friedel and Lockhart/Martinelli and to calculate the heat transfer coefficient, the models of Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobsen/Chato and Huhn are compared. The actual focus of this work is the experimental determination of the two target variables – specific pressure drop and heat transfer coefficient –In this dissertation, the condensation of water vapour in a horizontal pipe at pressures up to 10 bar is investigated with regard to the heat transfer behaviour and the resulting pressure differences. In order to create an appropriate starting point, the first part of the work summarizes and discusses the already published experimental studies on the topic. Subsequently, the existing theoretical foundations of the hydrodynamics and the heat transfer behaviour of two-phase flows are presented. In each case, attention is drawn to the existing difficulties in the physical description of the phenomena and the associated uncertainties in the calculation of target values. To calculate the friction pressure loss, the models of Friedel and Lockhart/Martinelli and to calculate the heat transfer coefficient, the models of Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobsen/Chato and Huhn are compared. The actual focus of this work is the experimental determination of the two target variables – specific pressure drop and heat transfer coefficient – at absolute saturated steam pressures between 4...10 bar and inlet velocities up to 21.5 m/s. The development and installation of the necessary test equipment was carried out within the scope of this work. With eight geometrically identical double-pipe heat exchangers (inner diameter of condensation pipe: 20.5 mm), the required local temperature information can be generated depending on the progress of the condensation. The inlet and outlet conditions (saturated steam pressure and mass flow, cooling water temperature and flow rate) were kept constant, while the number of flow heat exchangers varied. With a total of 63 test points at three pressure stages and five inlet speeds each, 15 heat transfer and pressure loss curves were determined as a function of the condensate content or the pipe longitudinal coordinate. The comparison of the experimental findings and the presented and known theories partly shows strong deviations. Furthermore, dependencies could not be confirmed based on the results of the experiments. The mean relative deviations between the experimental heat transfer coefficients and those calculated from existing models are between 16...42 %. Based on the experimental findings of this work, calculation equations for the local heat transfer coefficient and the specific pressure drop were developed. The additional comparison with experimental findings from the literature leads to a broader range of parameters being covered than those experimentally investigated in this work. The calculation models developed enable a significantly better prediction of heat transfer and pressure loss than the existing models. However, due to the complex phenomenology of the condensation process in horizontal pipes, extrapolation still involves risks. The recommended procedure for further research in this field is given in the outlook of this work.…