Einfluss der Pulsation von Prallstrahlenauf die Hydrodynamik und dieWärmeübertragung der WandströmungMotivation

• Reinigung von Produktionsanlagen in der Lebens-mittelindustrie ist zeit- und kostenintensiv

• Wärmeübertragung als Indikator für Reinigungsver-halten verwenden

• Pulsierende Prallstrahlen zur Reduktion des Ressour-cenverbrauchs einsetzen

• Wärmeübergang von Prallstrahlen bei hohen Düse-Platte-Abständen kaum erforscht

Ziele

• Untersuchung des Einfluss des Strahlzerfalls und derPulsation auf den Wärmeübertrag

• Abgleich von Reinigung und WärmeübertragungÉ Indentifikation entscheidender Mechanismen

Versuchsaufbau und Auswertung

• Erzeugen einer pulsierenden Strömung durch sechsStellventile

• Temperierung des Fluidkreislaufes• Rückseitiges Heizen der Platte mithilfe von eingelas-

senen Heizdrähten• Kühlung der Platte mittels Wasserstrahl bekannter

Temperatur Tfl

q

Thermoelem

enteT

w

Rohrdüse

Tfl

Stellventil

Rücklauf 1Rücklauf 2

Abb. 1: Versuchsaufbau zur Untersuchung des Wärme-übergangs.

• Messung der Oberflächentemperatur Tw durch Filmt-hermoelemente

• Charakterisierung des Strahl- und Tropfenaufprallsmittels High-Speed-Aufnahmen

• Messung des Spritzanteils über getrennten Rücklauf[1]:

ξ=VSpritz

VGesamt= 1−

VWand

VGesamt(1)

• Bestimmung des dimensionslosen volumenspezi-fischen Wärmeübergangskoeffizienten (Stanton-Zahl):

St =AHeizer ·α

VGesamt ·ρ · c=

AH · q|Tw− Tfl| · C

(2)

Ergebnisse

Filmsprung

0 ms 9 ms 18 ms 36 ms

Filmsprung

1. 2. 3. 4. 5.

1. Herabfließen des Films2. Aufprallen der Strahlfront3. Zusammenstoß: Wandstrahl und Film-

sprung*

4. Ausbreitung des Wandstrahls5. Bildung einer quasi-stationären Wand-

strömung*

*nur bei hinreichend großen bzw. kleinen Frequenzen

Abb. 2: Stadien des Aufpralls einer Strahlfront: schema-tisch (oben) und Bildaufnahme f ≥ 5Hz (unten).

5 20 50 1000. 2

0. 3

0. 4

0. 5

0. 6

0. 7

0. 8

5 20 50 100 5 20 50 100

Düse-Platte-Abstand (cm)5 20 50 100 5 20 50 100 5 20 50 100

ξ

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Abb. 3: Spritzanteil ξ über Düse-Platte-Abstand unter-schiedlichen Düsendrücken.

Abstand vom Strahlauftreffpunkt (mm)10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40

|Tw−

T fl|

(K)

0

2

4

6

8

10

12

Abb. 4: Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluidüber Abstand vom Auftreffpunkt bei unterschiedlichenDüse-Platte-Abständen.

10 20 30 400. 05

0. 1

0. 15

0. 2

0. 25

0. 3

0. 35

0. 4

10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40

Abstand vom Strahlauftreffpunkt (mm)10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 40

St

0.1

0.2

0.3

0.4

Abb. 5: Stanton-Zahl über Abstand vom Auftreffpunktbei unterschiedlichen Düse-Platte-Abständen.

Pulsation und Spritzanteil

• Tropfen lösen sich in einiger Entfernung vom Auf-treffpunkt

• Pulsation bedingt:1. Anzahl der Strahlfronten pro Zeiteinheit2. Filmdicke bei Aufprall der Strahlfront3. eventuellen Zusammenstoß von Filmsprung und

WandstrahlÉ Starker Einfluss auf Spritzanteil

• Pulsation erhöht tendenziell den Spritzanteil bei f ≥3Hz

Literatur[1] BHUNIA, S. K. ; LIENHARD, J. H.: Splattering During Tubu-

lent Liquid Jet Impingement on Solid Targets. In: Journalof Fluid Mechanics 1994 (1994), Nr. 116 (2), S. 338–344.– ISSN 0022–1120

FörderhinweisDas IGF-Vorhaben 18747 BG der Forschungsvereinigung In-dustrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpa-ckung e.V. (IVLV e.V.) wurde über die AiF im Rahmen desProgramms zur Förderung der Industriellen Gemeinschafts-forschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft undEnergie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes-tages gefördert.

Wärmeübertragung

• Pulsation erhöht die Stanton-Zahl bei einem Düse-Platte-Abstand d ® 50 cm, besonders im Bereich umden Auftreffpunkt

• Dort gilt: je höher die Frequenz, desto besser derWärmeübergang

• Kein Wärmeübertrag durch SpritzwasserÉ Schlechterer Wärmeübergang mit zunehmendem

Abstand vom AuftreffpunktÉVerstärkt durch Pulsation

• Betriebsart mit bestem Wärmeübergang abhängigvon Entfernung und betrachtetem Gebiet (Radiusdes TE)

Ausblick

• Aufstellen einer flächigen Temperaturfunktion• Berechnung des lokalen Wärmeübergangskoeffizien-

ten mithilfe von FEM• Messungen der Schichtdicke des herabfließenden

Wasserfilms• Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Film-

dicke beim Aufprall der Strahlfront und Spritzanteil• Determination des Entstehungszyklus der Tropfen

durch Bilderkennung

wassenberg@ttd.tu-darmstadt.deInstitut für Technische ThermodynamikTechnische Universität Darmstadt

J. Wassenberg, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman