Parameterstudie und Optimierung der Verdampfergeometrie

hier-(a)Druckverlust (b)maximale Vollverdampfungsrate Abbildung 5.6.:Einfluss der Kanallänge auf das Verdampferverhalten

für ist, dass der Dryout aufgrund der fertigungsbedingt relativ rauen Kanalwände hier deutlich weniger stark ausgeprägt ist als angenommen. Dies unterstreicht den Bedarf an weiterführenden experimentel-len Untersuchungen des Wärmeübergangs im Bereich der Vollverdampfung. Wie jedoch im vorherigen Abschnitt gezeigt wurde, wirken sich diese lokalen Abweichungen zwischen Experiment und Modell nur bedingt auf die globalen Betriebscharakteristiken aus.

(a)Druckverlust (b)maximale Vollverdampfungsrate Abbildung 5.7.:Einfluss des Kanaldurchmessers auf das Verdampferverhalten

5.2.2 Einfluss des Kanaldurchmessers

Um den Einfluss des Kanaldurchmessers zu bewerten, wurde dieser jeweils um 10% bzw. 20% verrin-gert sowie vergrößert, wodurch sich entsprechend auch die Strömungsgeschwindigkeiten und damit die Reynoldszahlen ändern. In Abbildung 5.7 sind die sich ergebenden stationären Druckverlustkennlini-en sowie die jeweiligDruckverlustkennlini-en maximalDruckverlustkennlini-en VollverdampfungsratDruckverlustkennlini-en wiedergegebDruckverlustkennlini-en. Bei einer Verringerung des Kanalquerschnitts erhöht sich erwartungsgemäß der Druckverlust. Allerdings führt dies nicht zu einem Anstieg der Verdampferkapazität, obwohl der Wärmeübergangskoeffizient hierbei zunimmt. Bei einer sowohl fluiddynamisch, als auch thermisch ausgebildeten Laminarströmung ist der übertragene Wärme-strom unabhängig vom Durchmesser, da bei einer Verkleinerung zwar der Wärmeübergangskoeffizient zunimmt, die Wärmeübertragungsfläche jedoch in gleichem Maße abnimmt. Lediglich der Reibungs-druckverlust steigt bei dünneren Kanälen an. Bei einer siedenden Strömung führt der mit abnehmendem Kanaldurchmesser zunehmende Druckverlust jedoch dazu, dass nur noch in einem kleineren Bereich des Kanals die Siedetemperatur erreicht wird, sodass insgesamt weniger Fluid verdampfen kann. Dem-nach wäre es sinnvoll, die Kanaldurchmesser möglichst groß zu wählen, da hierdurch gleichzeitig der Druckverlust als auch die maximale Vollverdampfungsrate erhöht werden kann. Eingeschränkt wird dies jedoch einerseits durch fertigungstechnische Begrenzungen, da zwischen zwei parallelen Kanälen stets eine gewisse Mindestwandbreite bestehen muss, um die Kanäle voneinander abzugrenzen. Gleichzeitig wurde in Kapitel 3 gezeigt, dass die Verdampfer mit zunehmendem Kanaldurchmesser vermehrt zu in-stabilem Verhalten neigen. Da die konkrete Ursachen für diese Instabilitäten im Rahmen dieser Arbeit bislang nicht zufriedenstellend geklärt werden können, sind bei einer Änderung des Kanaldurchmessers jeweils neue experimentelle Untersuchungen unumgänglich.

(a)Druckverlust (b)maximale Vollverdampfungsrate Abbildung 5.8.:Einfluss der Höhe der Heizbacken auf das Verdampferverhalten

5.2.3 Einfluss des Wärmeleitung im Festkörper

In Abbildung 5.8 ist der Einfluss der HeizerdickeH_Hauf das Verhalten des Verdampfers wiedergegeben.

Je dicker die Heizplatten sind, desto größer ist der Einfluss der axialen Wärmeleitung in der Kanalwand.

Zu erkennen ist, dass die Dicke der Heizbacken einen starken Einfluss auf das stationäre Betriebsver-halten des Verdampfers hat. Es zeigt sich, dass sich im Fall von dünneren Heizplatten bei gleicher Heizertemperatur deutlich höhere Wärmeströme übertragen lassen, als dies bei dickeren Heizbacken der Fall ist. Dies liegt jedoch weniger an der axialen Wärmeleitung innerhalb des Festkörpers, sondern viel mehr daran, dass die dickere Heizbacke einen zusätzlichen Wärmetransportwiderstand darstellt, weshalb in diesem Fall weniger Wärme übertragen wird. Entsprechend führt, wie in Abbildung 5.9 dar-gestellt, eine Verringerung der Breite der Heizbacken zu einem größeren Wärmeleitungswiderstand in der Kanalwand, sodass in diesem Fall die maximale Vollverdampfungsrate abnimmt.

5.2.4 Einfluss der Kanalanzahl

Bei dem hier angewandten stationären Einzelkanalmodell wird stets von einer gleichmäßigen Durchströ-mung der parallelen Einzelkanäle ausgegangen. Wird ein einfachesnumbering updurchgeführt, würde die maximale Vollverdampfungsrate bei einer Erhöhung der Kanalzahl dementsprechend proportional zunehmen. Andererseits ist es aus fertigungstechnischen Gründen nicht möglich, die Einzelkanäle belie-big dicht aneinander zu setzen. In Abbildung 5.10 wird daher dargestellt, wie sich eine Veränderung der Kanalzahl auf das stationäre Betriebsverhalten auswirkt, wenn jeweils das Gesamtkanalvolumen und damit auch die Wärmeübertragungsfläche konstant gehalten wird. Wie in Abbildung 5.11 dargestellt, ändert sich in diesem Fall lediglich das Aspektverhältnis des Gesamtverdampfers. Gut zu erkennen ist, dass ein Verdampfer mit sehr vielen entsprechend kürzeren Kanälen einerseits zu einem niedrigeren Druckverlust und andererseits zu einer deutlich vergrößerten maximalen Dampferzeugungsrate führt.

Bei der Detailauslegung solcher optimierter Verdampfer ist jedoch zu beachten, dass eine gleichmäßige

(a)Druckverlust (b)maximale Vollverdampfungsrate

Abbildung 5.9.:Einfluss der Breite der Heizbacken auf das Verdampferverhalten bei einer gleichbleiben-den Kanalzahl

(a)Druckverlust (b)maximale Vollverdampfungsrate

Abbildung 5.10.:Einfluss der Kanallänge auf das berechnete Verdampferverhalten bei gleichbleibender Wärmeübertragerfläche

Abbildung 5.11.:Skizze zweier Verdampfer mit derselben Wärmeübertragungsfläche; links: wenige lan-ge Kanäle; rechts: mehrere entsprechend kürzere Kanäle

Durchströmung der Einzelkanäle gewährleistet sein muss. Da sehr breite Verdampfer einen entsprechend langen Eintrittsverteiler erfordern, kann es in diesem Fall jedoch vorkommen, dass der hier auftretende Reibungsdruckverlust zu einer ungleichmäßigen Durchströmung führt. Weiterhin nimmt die Steigung der Druckverlustkurve mit zunehmender Kanallänge zu. Wie in Abbildung 5.6 gezeigt wurde, führt dies dazu, dass Verdampfer mit sehr kurzen Kanälen eine Ledinegg-Instabilität aufweisen und somit die Voraussetzung für das Auftreten von Druckverlustoszillationen erfüllen. Aus diesem Grund scheint es angebracht in praktischen Anwendungen eine gewisse Mindestkanallänge einzuhalten. Inwiefern sich ei-ne solche Designanpassung auf die Betriebsstabilität auswirken würde, kann im Rahmen dieser Arbeitet jedoch nicht abschließend geklärt werden. Da die stationäre Druckverlustkennlinie hier im überhitzten Bereich in allen untersuchten Fällen eine positive Steigung aufweist, liegt hier keine Ledinegg-Instabilität vor. Bei eventuell auftretenden Fluktuationen des Massenstroms und des Eintrittsdrucks handelt es sich demnach nicht um klassische Druckverlustoszillationen. Tiefere Einblicke in das dynamische Betriebsver-halten der hier betrachteten Mikrokanalverdampfer anhand des in Kapitel 4 vorgestellten FVM-Modells, scheitern jedoch an dessen bislang nicht zufriedenstellenden Konvergenzverhalten.