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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