Einfluss der Pulsation von Prallstrahlen auf die ... · •Wärmeübergang von Prallstrahlen bei...
1
Einfluss der Pulsation von Prallstrahlen auf die Hydrodynamik und die Wärmeübertragung der Wandströmung Motivation • 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 der Pulsation auf den Wärmeübertrag • Abgleich von Reinigung und Wärmeübertragung Indentifikation entscheidender Mechanismen Versuchsaufbau und Auswertung • Erzeugen einer pulsierenden Strömung durch sechs Stellventile • Temperierung des Fluidkreislaufes • Rückseitiges Heizen der Platte mithilfe von eingelas- senen Heizdrähten • Kühlung der Platte mittels Wasserstrahl bekannter Temperatur T fl ˙ q Thermoelemente T w Rohrdüse T fl Stellventil Rücklauf 1 Rücklauf 2 Abb. 1: Versuchsaufbau zur Untersuchung des Wärme- übergangs. • Messung der Oberflächentemperatur T w durch Filmt- hermoelemente • Charakterisierung des Strahl- und Tropfenaufpralls mittels High-Speed-Aufnahmen • Messung des Spritzanteils über getrennten Rücklauf [1]: ξ = ˙ V Spritz ˙ V Gesamt = 1 - ˙ V Wand ˙ V Gesamt (1) • Bestimmung des dimensionslosen volumenspezi- fischen Wärmeübergangskoeffizienten (Stanton- Zahl): St = A Heizer · α ˙ V Gesamt · ρ · c = A H · ˙ q | T w - T fl |· ˙ C (2) Ergebnisse Filmsprung 0 ms 9 ms 18 ms 36 ms Filmsprung 1. 2. 3. 4. 5. 1. Herabfließen des Films 2. Aufprallen der Strahlfront 3. Zusammenstoß: Wandstrahl und Film- sprung* 4. Ausbreitung des Wandstrahls 5. 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 50 100 0. 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 | T w - T fl | (K) 0 2 4 6 8 10 12 Abb. 4: Temperaturdifferenz zwischen Wand und Fluid über Abstand vom Auftreffpunkt bei unterschiedlichen Düse-Platte-Abständen. 10 20 30 40 0. 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 Auftreffpunkt bei unterschiedlichen Düse-Platte-Abständen. Pulsation und Spritzanteil • Tropfen lösen sich in einiger Entfernung vom Auf- treffpunkt • Pulsation bedingt: 1. Anzahl der Strahlfronten pro Zeiteinheit 2. Filmdicke bei Aufprall der Strahlfront 3. eventuellen Zusammenstoß von Filmsprung und Wandstrahl Starker Einfluss auf Spritzanteil • Pulsation erhöht tendenziell den Spritzanteil bei f ≥ 3Hz Literatur [1] B HUNIA , S. K. ; L IENHARD, J. H.: Splattering During Tubu- lent Liquid Jet Impingement on Solid Targets. In: Journal of Fluid Mechanics 1994 (1994), Nr. 116 (2), S. 338–344. – ISSN 0022–1120 Förderhinweis Das IGF-Vorhaben 18747 BG der Forschungsvereinigung In- dustrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpa- ckung e.V. (IVLV e.V.) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschafts- forschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes- tages gefördert. Wärmeübertragung • Pulsation erhöht die Stanton-Zahl bei einem Düse- Platte-Abstand d fi 50 cm, besonders im Bereich um den Auftreffpunkt • Dort gilt: je höher die Frequenz, desto besser der Wärmeübergang • Kein Wärmeübertrag durch Spritzwasser Schlechterer Wärmeübergang mit zunehmendem Abstand vom Auftreffpunkt Verstärkt durch Pulsation • Betriebsart mit bestem Wärmeübergang abhängig von Entfernung und betrachtetem Gebiet (Radius des 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 [email protected] Institut für Technische Thermodynamik Technische Universität Darmstadt J. Wassenberg , P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman
Transcript of Einfluss der Pulsation von Prallstrahlen auf die ... · •Wärmeübergang von Prallstrahlen bei...
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
[email protected] für Technische ThermodynamikTechnische Universität Darmstadt
J. Wassenberg, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman
