Beeinflussung der Naturumlaufverdampfung durch sekundäre Alkylsulfonate (SAS)

Von:

Laura Strodtmann

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Die vorliegende Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Einflusses von sekundären Alkylsulfonaten (SAS) auf das Betriebsverhalten eines Einrohr-Naturumlaufverdampfers im Miniplant-Maßstab. Durch Variation des massebezogenen Tensidanteils , des Betriebsdruckes p sowie des scheinbaren Füllstandes h*_ und der treibenden Temperaturdifferenz Tglo werden die Auswirkungen des Tensids auf den Wärmeübergangskoeffizienten und die Umlaufgeschwindigkeit untersucht. Durch die Zugabe von SAS wird eine Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit von bis zu 136 % gegenüber der Umlaufgeschwindigkeit von reinem Wasser erzielt, was auf die Reduzierung des zweiphasigen Druckverlustes durch die Anwesenheit des Tensids zurückgeführt wird. Entgegen den Erwartungen führt die Steigerung der Umlaufgeschwindigkeit nicht zu einer Erhöhung des integralen Wärmeübergangs. Durch die differenzierte Betrachtung des Wärmeübergangs in Aufheiz- und Verdampfungszone konnte gezeigt werden, dass der Einfluss der treibenden Temperaturdifferenz auf den Wärmeübergangskoeffizienten stärker ausgeprägt ist als der Einfluss der Fluiddynamik, quantifiziert durch die Reynolds-Zahl. Dieses Ergebnis erlaubt die Schlussfolgerung, dass der Wärmetransport in der Aufheizzone durch den Mechanismus des unterkühlten Blasensiedens dominiert wird. Darauf aufbauend wird angenommen, dass die Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit durch das Tensid bei gleicher treibender Temperaturdifferenz zu einer Hemmung des unterkühlten Blasensiedens führt, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient in der Aufheizzone reduziert wird. Der Einfluss des Tensids auf die zweiphasige Wärmeübertragung in der Verdampfungszone fällt gering aus. Beim Vergleich der Wärmeübertragung in der Verdampfungszone muss allerdings berücksichtigt werden, dass sowohl die Wärmeübergangs- als auch die Wärmedurchgangskoeffizienten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen mit hohen Unsicherheiten belegt sind. Je größer der produktseitige Wärmeübergang ist, desto größer ist auch die Unsicherheit der Koeffizienten. Diese Abhängigkeit reduziert insbesondere die Belastbarkeit der experimentell bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten in der Verdampfungszone. Im unteren Betriebsbereich des Verdampfers bei Tglo 30 K und h*_ 90% wurden erhöhte zeitliche Schwankungen des Umlaufstroms beobachtet, die auf das Auftreten der Geysering Strömungsinstabilität schließen lassen. Durch die Zugabe von SAS werden die Strömungsinstabilitäten bei dem höchsten Tensidanteil teilweise reduziert. Da Geysering auf der zyklischen Bildung von Kolbenblasen beruht, wird vermutet, dass das Tensid die Strömung aufgrund seiner koaleszenz-hemmenden Wirkung stabilisieren. Zur Quantifizierung des Einflusses des Tensids beziehungsweise der reduzierten Oberflächenspannung auf das Betriebsverhalten des Naturumlaufverdampfers wurden zwei dimensionslose Modellgleichungen zur Beschreibung der Nusselt-Zahl und der Reynolds-Zahl auf Basis der Jakob-Zahl und des scheinbaren Füllstandes entwickelt. Der Einfluss des Tensids wird dabei durch eine neu entwickelte dimensionslose Kennzahl sowie durch Normierung der Oberflächenspannung des Stoffsystems auf die Oberflächenspannung von reinem Wasser berücksichtigt. Beide Korrelationsgleichungen bilden die experimentellen Daten mit einer mittleren Abweichung von 16 % ab. Hinsichtlich der Beschreibung der Reynolds-Zahl ist eine erweiterte Datenbasis erforderlich, um die Eignung des Potenzansatzes zur Abbildung des Tensideinflusses zu überprüfen. Als nächste Schritte werden somit eine Erweiterung des Variationsbereichs des Tensidanteils und der treibenden Temperaturdifferenz vorgeschlagen.