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7.6.2 örtliche Stoff- bzw. Wärmeübergangszahl LS Thermische Maschinen, BTU Cottbus · Studienarbeit Stefan Bischoff Unsere Erwartungen aus Kapitel 7.4 werden mit den Abb. 7-7 und Abb. 7-8 nicht erfüllt. Ganz offenbar erfolgt der Stoff- bzw. Wärmeaustausch auf der Plattenoberfläche in einer turbulenten Grenzschicht. Am besten stimmen die Angaben von Renz [18] mit den von uns empirisch ermittelten Sherwood-Zahlen überein. Die Werte von Baehr [2] sind zu klein, die Werte von Kottke [13] sind zu hoch. Mit den Abb. 7-9 und Abb. 7-10 ist eine Erklärung möglich. Nach Kottke [13] löst sich an Platten endlicher Dicke die Grenzschicht im Bereich des Anlaufs laminar ab, wird über der Ablöseblase instabil und legt sich nach kurzer Entfernung wieder an die Platte an. Es entsteht eine Ablöseblase mit kleiner innerer Rezirkulation. Der Punkt der Ablösung ist durch jene Re-Zahl definiert, bei der unmittelbar nach dem Anlaufbereich eine Stoffübergangsminimum nachgewiesen wird. Dieses Stoffübergangsminimum kann im Bereich der Ablösung am Anlauf mit unseren Meßergebnissen nicht festgestellt werden. Eine Ursache hierfür ist, daß die Auflösung der Schichtdickenabnahme ∆d des Naphthalins mit der verwendeten Meßgerätekonfiguration im Kantenbereich der Platte zu gering ist. Es fehlen Meßwerte direkt an der Forderkante der Platte, die den Bereich der Strömungsablösung näher beschreiben. Das Wiederanlegen der Strömung ist mit einer starken Erhöhung des Stoffüberganges in Form eines Maximums verbunden. Bereits kurz nach dem Maximum des Stoffübergangs stellt sich eine turbulente Grenzschicht ein. Kottke [13] hat den Kantenbereich von verschiedenen Platten mit dem remissionsfotometrischen Meßverfahren sehr genau untersucht. Sein Ergebnisse sowie Ergebnisse weiterer Messungen mit der Hitzedrahtsonde und dem PIV- Meßverfahren –ParticIe Image Velocimetry- bestätigen unsere Vermutung, daß ein Stoffübergangsmaximum an der vorderen Randzone der ebenen Platte auf eine Strömungsablösung bereits an der vordersten Kante der ebenen Platte hindeutet. Ergebnisse der Messungen mit der Hitzedrahtsonde sind in den Abb. 7-11 und 7- 12 dargestellt. Es werden die mittlere Geschwindigkeit u und Turbulenzgrad Tu in 5 mm Entfernung von der Plattenoberfläche entlang der mittleren Plattenlauflänge x vermessen. Die Strömungsgeschwindigkeit u∞ im Umluftwindkanal beträgt 20,35 m/s bei einer Temperatur T von 22,80 °C und einem Umgebungsdruck pu von 1010,48 hPa. In der Abb. 7-11 tritt nach der Beschleunigung der Strömung ein Maximum der Geschwindigkeit bei x = 6 mm auf, wobei diese mit erweiterter Plattenlauflänge x einen Wert < 19,5 m/s annimmt, was auf eine Sperrung durch eine Ablöseblase im Bereich 0 mm < x < 20 mm hindeutet. Der Turbulenzgrad Tu in 5 mm Entfernung von der Plattenoberfläche entlang der mittleren Plattenlauflänge x ist in der Abb. 7-12 dargestellt. Das Maximum des Turbulenzgrades Tu liegt bei x = 27 mm. Der Turbulenzgrad Tu nimmt nach dem Maximum stetig in der turbulenten Grenzschicht ab und erreicht dann z.B. bei der Plattenlauflänge x von 230 mm einen Turbulenzgrad Tu von 8%. 60
örtliche Wärmeübergangszahl α [kW/m² K] 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 LS Thermische Maschinen, BTU Cottbus · Studienarbeit Stefan Bischoff beta Messung beta Renz [18] beta Baehr [2] beta Kottke [13] alpha Messung u = 20,57 m/s p u = 985,06 hPa T Platte = 21,66 °C T Strömung = 21,68 °C 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Lauflänge x [mm] Abb. 7-9 örtliche Wärmeübergangszahl α bzw. Stoffübergangszahl β entlang der Plattenmittellinie bei ReL1 = 410000 und Sublimationssystem Naphthalin-Luft – Anhang 29) örtliche Wärmeübergangszahl α [kW/m² K] 0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 0,07 0,05 0,03 beta Messung beta Renz [18] beta Baehr [2] beta Kottke [13] alpha Messung u = 40,38 m/s p u = 959,68 hPa T Platte = 26,99 °C T Strömung = 26,73 °C 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Lauflänge x [mm] Abb. 7-10 örtliche Wärmeübergangszahl α bzw. Stoffübergangszahl β entlang der Plattenmittellinie bei ReL2 = 820000 und Sublimationssystem Naphthalin-Luft – Anhang 30) 0,23 0,21 0,19 0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 0,07 0,05 0,36 0,31 0,26 0,21 0,16 0,11 örtliche Stoffübergangszahl β [m/s] örtliche Stoffübergangszahl β [m/s] 61
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