Fallfilmverdampfung viskoser Reinstoffe unter Berücksichtigung der Einlaufgeometrie

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Fallfilmverdampfung viskoser Reinstoffe mit besonderem Fokus auf die Einlaufgeometrie. Zur Messung des Wärmeübergangs wurde ein Einrohr-Fallfilmverdampfer aus Edelstahl aufgebaut und betrieben. Der Wärmeübergang wurde mit Wasser und den viskosen Medien Propylenglykol und Cyclohexanol untersucht. Zur Variation der Einlaufgeometrie dienten ein Glattwehr und ein Turmwehr. Außerdem wurde die Fluiddynamik des Rieselfilms in Abhängigkeit von der Einlaufgeometrie im oberen Bereich einer unbeheizten Anlage untersucht. Eine computergestützte Methode zur Auswertung von fotografischen Aufnahmen wurde entwickelt, um die Fluiddynamik von Wasser/ Polyvinylpyrrolidon Lösungen zu analysieren.

Die Ergebnisse der Experimente zum Wärmeübergang zeigen, dass für viskose Medien die Korrelationen nach VDI Wärmeatlas [Schnabel et al., 2006, Abschnitt Md] nicht hinreichend zuverlässig sind. Ebenso können die Korrelationen nach Alhusseini [Alhusseini, 1995] und Weise [Weise, 2007], die für viskose Medien entwickelt wurden, die experimentell ermittelte Nusselt-Zahl sowohl qualitativ als auch quantitativ nicht zufriedenstellend beschreiben.

Die Wärmeübergangsmessungen lassen erkennen, dass die Geometrie der Anlage, speziell die Einlaufgeometrie einen signifikanten Einfluss auf den integralen Wärmeübergangskoeffizienten bei der Verdampfung viskoser Medien hat. Durch den Einsatz des Turmwehrs konnte der Wärmeübergangskoeffizient bei erhöhten Prandtl-Zahlen und hohen Reynolds-Zahlen maßgeblich erhöht werden. Der Vergleich der Anlagenkonfigurationen von Alhusseini und Weise zeigt, dass die Rohrlänge den integralen Wärmeübergang ebenfalls beeinflusst.

Die Messungen der Fluiddynamik lassen erkennen, dass es im Bereich nach der Filmaufgabe zu einer wellenfreien Zone kommt. Die Länge dieser Zone schwankt stark. Der Mittelwert ist abhängig von der Berieselungsdichte, der Viskosität des Mediums und auch von der Einlaufgeometrie.

In einem ersten Modellierungsansatz wurde das Modell nach Alhusseini modifiziert, so dass die experimentellen Daten beschrieben werden. Eine hohe Zahl an Fallunterscheidungen ist nötig, um die experimentellen Daten nach diesem Ansatz wiederzugeben. In einem zweiten Ansatz wurde eine Modellierung durch die Isolierung der Einflussgrößen vorgenommen. Die ermittelten Modellgleichungen beschreiben die experimentellen Ergebnisse stoffunabhängig mit einer Genauigkeit von ±15 %.

In the present study the falling film evaporation of pure liquids with increased viscosities and different film inlet geometries is investigated. A stainless steel falling film evaporator with dimensions of di x s x l = 30 x 3 x 2500 mm was used to quantify the heat transfer of water, propylene glycol and cyclohexanol in falling films. Two different weirs, a flat and a slotted weir, were used in the apparatus to investigate the influence of the inlet geometry. Additionally the fluid dynamics in the upper region of a falling film were studied with water and solutions of water/polyvinylpyrrolidone. Fluid dynamics were examined in dependency of the film inlet geometry in a Plexiglas® tube. A computer based analysis of photographs was used to qualify the fluid flow.

Results of the heat transfer measurements show that the conventional correlations to predict the heat transfer coefficients by VDI Wärmeatlas [Schnabel et al., 2006, part Md] can not be applied for the calculation of the heat transfer of viscous media. Correlations given by Alhusseini [Alhusseini, 1995] and Weise [Weise, 2007], based on measurements with liquids with increased viscosities, do not describe the integral heat transfer coefficient for the evaporation of propylene glycol and cyclohexanol in the present test rig qualitatively and quantitatively.

Heat transfer measurements in this study reveal that the geometry of the test rig, especially the fluid inlet geometry, has a significant influence on the integral heat transfer coefficient for viscous media. Results of the slotted weir show that the heat transfer coefficient can be enhanced significantly at increased Prandtl numbers and at increased Reynolds numbers. A comparsion to the rig geometries from Alhusseini and Weise shows, that the length of the used evaporation tube affects the degree of influence of the fluid inlet geometry.

Results from fluiddynamic measurements reveal a wave free zone in the upper region of the tube, though the length of the wave free zone fluctuates. The average length depends on the irrigation rate, the fluid viscosity and on the geometry of the fluid inlet.

In a first modelling approach the Alhusseini model is modified to describe the experimental results. However, a high number of different equations is needed to describe the different results for cyclohexanol and propylene glycol as well as the results for the different inlet geometries. Thus a model is developed through the separation of the influence parameters, irrigation rate and viscosity, to describe the heat transfer coefficient. With this model the description of the experimental results with less equations and less complexity is possible.