Experimentelle Betrachtung der Wärmeübertragung durch instationäre freie Konvektion an der vertikalen Platte

Die vorliegende Ausarbeitung untersucht den Einfluss von instationären Strömungsstrukturen in freier Konvektion auf die Wärmeübertragung von einer vertikalen Platte an Luft. Dazu werden die mittlere und die momentane Intensität der konvektiven Wärmeübertragung für zyklische und sprungartig variierende Betriebsweisen einer direkt-elektrisch beheizten, 2 m hohen Kupferplatte experimentell erfasst. Bei Dauerbetriebstemperaturen von maximal 100 °C und Impuls-Wärmestromdichten von bis zu 1.430 W/m² werden sowohl laminare, als auch transiente und turbulente Strömungsformen betrachtet. Im Vergleich zur einer quasi-stationären Betrachtungsweise tritt im instationären Fall eine mittlere Intensivierung der konvektiven Wärmeübertragung von maximal 23,8 % bei zyklischen Variationen der Randbedingungen und von bis zu 30,2 % bei sprungartigen Änderungen auf. Die stärkste Beeinflussung der konvektiven Wärmeübertragung durch eine instationäre Betriebsweise zeigt sich im Bereich der kritischen Grashof-Zahl, also zu Beginn der laminar-turbulenten Transition. Hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung der Wärmeübertragungs-Intensität treten die größten Überschreitungen des quasi-stationären Vergleichsniveaus stets zum Ende eines Wärmestrom-Impulses auf. Phänomenologische Betrachtungen der instationären Konvektionsströmung in Form von Visualisierungen zeigen bei einer impulsartigen Wärmestromzufuhr eine temporär verstärkte Durchmischung der Grenzschicht. Exemplarische Messungen zur zeitlichen Entwicklung der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Grenzschicht zeigen dabei ebenfalls stark ausgeprägte irreguläre Fluktuationen. Die phänomenologischen Beobachtungen legen daher nahe, dass überschüssige potentielle Energie, die durch einen hinreichend intensiven Wärmestrom-Impuls plötzlich in eine Auftriebsströmung eingebracht wird, zunächst durch das temporäre Aufkommen von großskaligen Rotationsbewegungen in kinetische Energie umgewandelt wird, bevor sich eine quasi-stationäre Strömungsentwicklung einstellt. Die Grenzschichtfluktuationen stehen darüber hinaus in guter zeitlicher Übereinstimmung mit der instationären Phase der Wärmeübertragung. Die vorübergehende Intensivierung des konvektiven Wärmetransports wird dementsprechend auf eine kurzzeitig verstärkte Durchmischung der Grenzschicht zurückgeführt. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse, für die eine sehr gute quantitative und qualitative Reproduzierbarkeit vorliegt, wird ein analytisches Berechnungsmodell vorgestellt. Als zentrale Einflussgrößen werden darin die mittlere Grashof-Zahl und eine dimensionslose Kennzahl Π berücksichtigt, welche als Maß für den mittleren Überschuss der potentiellen Energie innerhalb der instationären Phase interpretiert wird. Das Berechnungsmodell erlaubt sowohl die Prognose der mittleren, als auch der momentanen Wärmeübertragungs-Intensität durch instationäre freie Konvektionsströmungen an der vertikalen Platte. So eröffnet sich für derartige Wärmeübertrager durch eine gezielte Variation der Betriebsweise die Möglichkeit zu einer Intensivierung der Übertragungsleistung bei gleichen mittleren Oberflächentemperaturen oder zu einer Reduzierung der mittleren Oberflächentemperaturen bei gleicher Übertragungsleistung.

Grantor

VDI Verlag

Year dc:date.issued

2019

Author dc:creator

• Schaub, Michael

Advisor dc:contributor.advisor

• Kriegel, Martin

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8706

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/9663