CFD-Simulation der schnellen Abkühlung einer Flüssigkeit und deren Einfluss auf die Wandtemperatur

Gegenstand der Arbeit

Am ITTK wurde der Prototyp eines thermodynamisch neuartigen Prozesses zur Nutzung von
Niedertemperaturwärme aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Prozess basiert darauf, dass flüssiges,
heißes Wasser unter hohem Druck in eine Vorkammer (Zyklon) einer Kolbenmaschine eingespritzt wird und
dabei schlagartig teilweise verdampft. Der entstehende Dampf verdrängt den Kolben und treibt einen
Generator zur Stromerzeugung an. Die flüssige Phase verbleibt in der Vorkammer und kühlt sich aufgrund
der entzogenen Verdampfungswärme stark ab. Für den Prozess ist es von großer Bedeutung, dass die
Oberflächen, die mit dem Dampf in Kontakt stehen, beheizt sind, um Kondensation zu verhindern. Bedingt
durch die starke Abkühlung des Wassers kommt es trotz Beheizung zur Auskühlung der Wand. Im
kontinuierlichen Betrieb überlagert sich aufgrund instationärer Wärmeleitung im Feststoff das
Temperaturprofil des Wassers periodisch mit dem Temperaturprofil der Oberfläche. Dieser Einfluss hängt
entscheidend von den thermischen Eigenschaften des Feststoffs und dem Wärmeübergang zwischen
flüssiger Phase und Wand ab.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Wandtemperaturverteilung im Zyklon in Wandnähe mit Hilfe der Software Ansys
CFX zu berechnen. Hierzu muss zunächst mit Hilfe eines einfachen Verdampfungsmodells die Abkühlung
der flüssigen Phase im Zyklon berechnet werden, die im Wärmeaustausch mit der Wand steht.