Vergleich von laminarer und turbulenter Strömung

Wärmeübertragung Strömungsregime

Einer der wichtigen Faktoren, die die Wärmeübertragung steuern, ist der Widerstand gegen den Wärmefluss durch die verschiedenen „Schichten“, die die Barriere zwischen den beiden Flüssigkeiten bilden.

Die treibende Kraft für die Wärmeübertragung ist der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Flüssigkeit. Je größer der Unterschied ist, desto höher ist die Geschwindigkeit, mit der die Wärme zwischen den beiden Flüssigkeiten fließt, und der Konstrukteur muss die Temperaturniveaus in jeder Phase optimieren, um die Gesamtgeschwindigkeit des Wärmeflusses zu maximieren.

Der Widerstand gegen den Wärmestrom besteht aus 5 Schichten, die wie folgt aufgebaut sind:

1. Die innere „Grenzschicht“, die von der Flüssigkeit gebildet wird, die in engem Kontakt mit der Innenfläche des Rohrs fließt.
2. Die Verschmutzungsschicht, die sich durch die Ablagerung von festen oder halbfesten Stoffen auf der Innenseite des Rohrs bildet (die vorhanden sein kann oder auch nicht).
3. Die Dicke der Rohrwand und das verwendete Material bestimmen den Widerstand gegen den Wärmefluss durch das Rohr selbst.
4. Die Verschmutzungsschicht, die sich durch die Ablagerung von Feststoffen oder Halbfeststoffen auf der Außenfläche des Rohrs bildet (die vorhanden sein kann oder auch nicht).
5. Die äußere „Grenzschicht“, die von der Flüssigkeit gebildet wird, die in engem Kontakt mit der Außenfläche des Rohrs fließt.

Die für [2] und [4] zu verwendenden Werte werden in der Regel vom Kunden aufgrund von Erfahrungswerten festgelegt, während der Konstrukteur die Rohrgröße, die Dicke und die Materialien entsprechend der Anwendung auswählt.

Der Widerstand gegen den Wärmestrom, der sich aus [1] und [5] ergibt (als partielle Wärmeübergangskoeffizienten bezeichnet), hängt in hohem Maße von der Beschaffenheit der Flüssigkeiten ab, aber auch – und das ist entscheidend – von der Geometrie der Wärmeübertragungsflächen, mit denen sie in Kontakt sind. Wichtig ist, dass die endgültigen Werte stark davon beeinflusst werden, was auf der Ebene der Grenzschichten passiert, also der Flüssigkeit, die tatsächlich mit der Wärmeübertragungsfläche in Kontakt ist.

Die Grenzschichten

Wenn eine viskose Flüssigkeit mit niedriger Geschwindigkeit in Kontakt mit einem Rohr fließt, geschieht dies auf eine Art und Weise, die keine Vermischung der Flüssigkeit bewirkt: Die Grenzschicht, die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Rohr, wird ihre Geschwindigkeit durch den viskosen Widerstand etwas verringern und die Wärme wird durch die Flüssigkeit durch Leitung und/oder Konvektion aus der (oder in die) Rohrwand fließen.

Wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit erhöht wird, erreicht sie schließlich ein Niveau, das die Flüssigkeit dazu veranlasst, Turbulenzwirbel zu bilden, bei denen sich die Grenzschicht von der Wand löst und sich mit dem Hauptteil der Flüssigkeit weiter von der Rohrwand entfernt vermischt.

Die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, wird von vielen Faktoren beeinflusst: der Viskosität der Flüssigkeit, der Rauheit der Rohrwand, der Form des Rohrs, der Größe des Rohrs usw. Um die Turbulenz (oder deren Fehlen) in der Praxis zu quantifizieren, verwenden Wärmeübertragungsingenieure eine dimensionslose Zahl, die Reynolds-Zahl, die wie folgt berechnet wird:

Wo:

• D = der hydraulische Durchmesser des Rohrs (m)
• G = die Geschwindigkeit der Masse (kg/m².s)
• µ = die Viskosität der Flüssigkeit (kg/m.s)

Laminarer Fluss

Durch Experimente hat man herausgefunden, dass Reynoldszahlen von weniger als 2000 den Zustand beschreiben, bei dem es zu keinem Abreißen von der Rohrwand kommt, was als laminare Strömung bezeichnet wird. Die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit sind die entscheidenden Faktoren für die Wärmeübertragung in diesem Bereich, der in Bezug auf die Wärmeübertragung ineffizient ist.

 

Die blaue Linie im Diagramm gilt für ein glattes Rohr, während die rote Linie für ein gewelltes Rohr gilt. Wie Sie sehen, haben gewellte Rohre unabhängig davon, ob sie gewellt sind oder nicht, bei einer laminaren Strömung keine positiven Auswirkungen, bis die Reynoldszahl über 2.000 liegt.

 

Übergangszone

Bei Reynolds-Zahlen zwischen 2.000 und 10.000 gibt es eine Zone der Ungewissheit, die so genannte Übergangszone, in der es je nach anderen unvorhersehbaren Faktoren zu Turbulenzen kommen kann oder nicht. Da es sich um einen Bereich der Ungewissheit handelt, versuchen Wärmeübertragungsingenieure zu vermeiden, dass Flüssigkeiten in diesem Bereich fließen.

 

Wie in diesem Fall zu sehen ist, bieten die gewellten Rohre eine deutliche Verbesserung, wenn die Reynoldszahl über 2.000 liegt, aber immer noch unter dem Niveau von 10.000, das für eine turbulente Strömung mit einem glatten Rohr erforderlich ist.

 

Turbulente Strömung

Bei Reynolds-Zahlen über 10.000 kommt es zu einer erheblichen Ablösung von der Rohrwand, und der Zustand wird als turbulente Strömung mit einer erheblichen Vermischung der Grenzschicht und der Hauptflüssigkeit beschrieben. Dies ist der effizienteste Bereich, in dem Wärmetauscher arbeiten können.

 

Dieses Diagramm zeigt, dass die Riffelung in turbulenten Strömungsregimen bei Reynolds-Zahlen über 10.000 einen signifikanten Verstärkungseffekt im Vergleich zu den entsprechenden glatten Rohren hat.

Viele Techniken wurden ausprobiert, um die Reynolds-Zahl, bei der eine turbulente Strömung entsteht, zu verringern. Die meisten haben jedoch den Nachteil, dass sie den Widerstand gegen den Flüssigkeitsstrom erhöhen: den Druckverlust, und zwar in einem Maße, das schneller zunimmt als die Abnahme des Grenzschichtwiderstands. Einige können nicht verwendet werden, wenn Feststoffe vorhanden sind, andere, wenn die Flüssigkeit sehr zähflüssig ist.

Eine nützliche Technik, die nicht die Nachteile der anderen hat, ist die Verformung des Rohrs mit einer kontinuierlichen flachen spiralförmigen Vertiefung oder einer punktuellen Vertiefung. Die Forschung hat gezeigt, dass durch eine sorgfältige Wahl der Tiefe, des Winkels und der Breite der Vertiefung die Reynoldszahl, bei der eine turbulente Strömung entsteht, deutlich unter 10.000 gesenkt werden kann.

Bei einer Reynoldszahl von über 10.000 erhöht diese Form der Verformung auch die Turbulenz und damit die Wärmeübertragungsrate erheblich, was, wenn es richtig mit den anderen Faktoren ausbalanciert wird, den Flächenbedarf und damit die Kosten des Wärmetauschers reduzieren kann.

Aus diesem Grund stellen wir Wellrohr-Wärmetauscher her.

 

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