Motivation
Dezentrale Systeme zur Wärme- oder Kälteversorgung wie z.B. Heizungs-, Klima-, solar- oder geothermische Anlagen verwenden flüssige Medien als Wärmeträger, vorzugsweise Wasser oder Wasser/Glykol. Wasser ist ein gutes Lösungsmittel für verschiedene Gase und daher besteht die Gefahr, dass diese bei Druck- oder Temperaturänderungen ausgasen und als sog. freie Gase (Gasblasen) in der Flüssigkeit verbleiben. Das Projekt ImpactGas versuchte mithilfe experimenteller Methoden die Frage zu beantworten, ob freie oder gelöste Gase in Wärmeträgerflüssigkeiten zu einer Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens von Komponenten und Systemen der Wärme- und Kälteversorgung führen.
Methoden
Im Rahmen des Projektes wurden an der Hochschule Zittau/Görlitz experimentelle Untersuchungen zur Strömung und zum Wärmeübergang in Rohren sowie strömungs- und wärmetechnischen Komponenten bei Vorhandensein einer Zweiphasenströmung (flüssiger Wärmeträger mit freien Gasen) durchgeführt. In enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern erfolgte die Entwicklung einer komplexen Versuchsanlage zur Untersuchung der genannten Phänomene und deren Umsetzung im Technikumsmaßstab. Mit Hilfe dieser Anlage wurden detaillierte Messungen zum Druckverlust und zum Wärmeübergang in Rohrströmungen (Wasserflüssigkeit mit N2 oder CO2 als freie Gase) durchgeführt und ausgewertet. Des Weiteren erfolgten umfangreiche Komponententests an Lamellenrohr- und Rohrbündel-Wärmeübertragern sowie an einem Schrägsitzventil und einer Zahnradpumpe. Im Mittelpunkt der experimentellen Untersuchungen stand dabei die Frage, ob sich freie Gase in Komponenten und Bauteilen ansammeln und zu einer Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens führen.
Ergebnisse
Als wichtigste Kenngröße zur Charakterisierung der Zweiphasenströmung wurde der Gasvolumenanteil bzw. Gasgehalt genutzt, der das Vorhandensein freier Gase in der Flüssigkeit in Vol.-% quantifiziert. Während in der Praxis Gasgehalte bis max. 5 Vol.-% zu erwarten sind erfolgten die experimentellen Untersuchungen bis zum doppelten Gasgehalt. Es zeigte sich, dass Strömungsdruckverluste in Rohren und auch durch Einbauten (z.B. ein Schrägsitzventil) prozentual etwa in der Größenordnung des Gasvolumengehaltes ansteigen mit den entsprechenden Auswirkungen z.B. auf die erforderliche Antriebsleistung von Umwälzpumpen. Die Untersuchung des Wärmeüberganges gestaltete sich schwierig, schlussendlich waren Verbesserungen durch höhere Strömungsgeschwindigkeiten und gasblasenbedingte Turbulenzeffekte detektierbar.
Zahnradpumpen fördern bei konstanter Drehzahl einen konstanten Volumenstrom, der aufgrund der Gasvolumenanteile weniger Flüssigkeit enthält, so dass zur Sicherstellung der Versorgungsaufgabe prozentual höhere Drehzahlen entsprechend das Gasvolumenanteiles notwendig sind. Die Wärmeleistung von Lamellenrohr- und Rohrbündel-Wärmeübertragern wird bei Gasgehalten bis 5 Vol.-% nur marginal beeinflusst, Druckverluststeigerungen fallen geringer aus, wenn die Wärmeübertragerrohre horizontal verlaufen. Ansammlungen freier Gase konnten in den untersuchten Wärmeübertragern nicht festgestellt werden.
Alle Projektarbeiten und -ergebnisse sind im Abschlussbericht zusammengefasst.
