Experimentelle Untersuchung und Auslegung von ministrukturierten Verdampfern unterschiedlicher Bauweise
Andreas Freund
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Andreas Freund, Experimentelle Untersuchung und Auslegung von ministrukturierten Verdampfern unterschiedlicher Bauweise (2010), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832597924
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Beschreibung / Abstract
Für die Bereitstellung dampfförmiger Ausgangsstoffe ohne Einsatz eines Trägergases ist in vielen technischen Anwendungsbereichen eine schwankungsarme und kontinuierliche Totalverdampfung kleiner bis mittlerer Flüssigkeitsströme eine wichtige Anforderung.
Als Beispiele dafür sind die Verdampfung von Wasser und flüssigen Kohlenwasserstoffen in Brennstoffzellensystemen oder die gezielte Dosierung von Dampf im Labor- und Technikumsbereich zu nennen.
Die vorliegende Arbeit behandelt die systematische Vorgehensweise bei der prozesstechnischen und konstruktiven Auslegung ministrukturierter Verdampfer in unterschiedlicher Bauweise. Anhand von zwei verschiedenen Verdampferkonzepten und Anforderungsprofilen wurde der Verdampfungsprozess in engen Kanälen detailliert untersucht.
In einem ersten Teil wurde für die Kopplung der Verdampfung mit einer Verbrennungsreaktion die gegenseitige Wechselwirkung in einem kompakten Plattenverdampfer betrachtet und die geeignete apparative Gestaltung und Prozessführung bestimmt.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Analyse der hochdynamischen Vorgänge während der Verdampfung in engen Kanälen am Beispiel eines Kapillarverdampfers. Für die Auslegung und Optimierung des Kapillarverdampferkonzeptes ist weiterhin ein vereinfachtes, gekoppeltes 1D/3D-Simulationsmodell entwickelt worden.
Als Beispiele dafür sind die Verdampfung von Wasser und flüssigen Kohlenwasserstoffen in Brennstoffzellensystemen oder die gezielte Dosierung von Dampf im Labor- und Technikumsbereich zu nennen.
Die vorliegende Arbeit behandelt die systematische Vorgehensweise bei der prozesstechnischen und konstruktiven Auslegung ministrukturierter Verdampfer in unterschiedlicher Bauweise. Anhand von zwei verschiedenen Verdampferkonzepten und Anforderungsprofilen wurde der Verdampfungsprozess in engen Kanälen detailliert untersucht.
In einem ersten Teil wurde für die Kopplung der Verdampfung mit einer Verbrennungsreaktion die gegenseitige Wechselwirkung in einem kompakten Plattenverdampfer betrachtet und die geeignete apparative Gestaltung und Prozessführung bestimmt.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Analyse der hochdynamischen Vorgänge während der Verdampfung in engen Kanälen am Beispiel eines Kapillarverdampfers. Für die Auslegung und Optimierung des Kapillarverdampferkonzeptes ist weiterhin ein vereinfachtes, gekoppeltes 1D/3D-Simulationsmodell entwickelt worden.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Einleitung
- 1.1 Aufgabenstellung und Aufbau der Arbeit
- 2 Verdampfung in durchströmten Mini- und Mikrokanälen
- 2.1 Strömung und Wärmeübergang beim Strömungssieden
- 2.2 Verdampfungsvorgänge in kleinen Kanälen - Stand des Wissens
- 2.3 Kopplung endo- und exothermer Prozessstufen
- 3 Konstruktive Gestaltung der betrachteten Verdampferkonzepte
- 3.1 Plattenverdampfer
- 3.2 Kapillarverdampfer
- 4 Experimenteller Aufbau
- 4.1 Plattenverdampfer
- 4.2 Kapillar-Verdampfer
- 4.3 Einzelkapillarverdampfer
- 4.4 Messmethodik zur Analyse der Güte der Dampfproduktion
- 5 Experimentelle Ergebnisse mit Plattenverdampfern
- 5.1 Vorversuche an einem Plattenverdampfer
- 5.2 Einzelplatten-Versuche
- 5.3 Kinetikmessungen zur Verbrennungsreaktion
- 5.4 Optimierungsaufgaben
- 5.5 Optimierte Verdampferplatte
- 5.6 Untersuchungen am optimierten Plattenpaket
- 5.7 Zusammenfassung und Bewertung katalytisch beheizter Plattenverdampfer
- 6 Experimentelle Ergebnisse mit Kapillar-Verdampfern
- 6.1 Einfluss der Kühlung
- 6.2 Pulsationsverhalten der Dampfproduktion
- 6.3 Dynamisches Verhalten der Dampfproduktion
- 6.4 Verdampfung in Einzelkapillaren
- 6.5 Zusammenfassung Kapillarverdampfer
- 7 Zusammenfassung der Experimente zur Verdampfung in Platten und Kapillarverdampfern
- 8 Modellierung der Verdampfung im Einzelkanal
- 8.1 Voraussetzungen für die Modellierung
- 8.2 Erhaltungsgleichungen
- 8.3 Diskretisierungsverfahren
- 8.4 Implementierung
- 8.5 Stoffdaten
- 9 Simulationsergebnisse
- 9.1 Einfluss der Kühlung
- 9.2 Optimierung der Thermoelementposition
- 9.3 Belastungsgrenze eines Verdampferkanals
- 9.4 Grenzen des Simulationsmodells
- 9.5 Zusammenfassung der Simulationsergebnisse
- Literaturverzeichnis
- A Entgasung des Arbeitsmediums
- B Kinetikanlage
- C Pulsationsdiagramme der untersuchten Kapillar-Verdampfervarianten
- D Einzelkapillarverdampfer
- E Diskretisierungsverfahren