Experimentelle Validierung eines analytischen Modells zur Beschreibung der Kondensation schubspannungsgetriebener Wasserfilme
Bedingt durch den Anstieg der Volatilität in den Stromverteilnetzen, verursacht durch den wachsenden Anteil der regenerativen Stromerzeugungsanlagen, sind konventionelle Kraftwerksanlagen vermehrt dynamischen Fahrweisen unterlegen. Die führt dazu, dass Komponenten, wie die Dampfturbine zusätzlichen Belastungen ausgesetzt sind. Hierzu zählen u.a. Kondensationseffekte innerhalb des Turbinengehäuses, deren Vorhersagbarkeit für den Betrieb und die Beurteilung der Lebensdauer der Maschinen unerlässlich sind. Zur Beurteilung der Konstruktion und Widerstandsfähigkeit des Turbinengehäuses wird der Kondensatmassenstrom und der dadurch verursachte Wärmeeintrag in die Struktur benötigt. Hierzu kann unter anderem ein bisher nicht validiertes Kondensationsmodell genutzt werden, das in den 1960er-Jahren von Cess und Koh zur Vorhersage der Filmdicke des Kondensatmassenstromes und des Wärmeüberganges entwickelt wurde.
Das Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Validierung und Anpassung dieses Modells zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit und -zuverlässigkeit der Kondensationsmodellierung. Zunächst wird das Modell in einer Übersicht der relevantesten Kondensationsmodelle eingeordnet. Ergänzend dazu werden die bisherigen experimentellen Untersuchungen auf dem Gebiet präsentiert und zum Modell in Bezug gesetzt. Im Anschluss wird das Cess/Koh-Modell hergeleitet. Auf dieser Basis wird die eigens entwickelte, experimentelle Versuchsanordnung sowie die eingesetzte Messtechnik erläutert. In mehreren Versuchskampagnen werden die strömungsseitigen Modellgrößen wie Filmdicke und Filmgeschwindigkeit an der Phasengrenze sowie die Wärmeübergangsgrößen wie Wärmestromdichte und Wärmeübergangskoeffizient unter Variation der Dampfgeschwindigkeit untersucht. Die vorhergesagten Modellgrößen werden dann mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Hierbei wird offensichtlich, dass die Modellvorhersagen qualitativ bestätig werden können, jedoch quantitativ zu hohe Werte vorausgesagt werden, was auf eine zu hoch angenommene Schubspannung zwischen Dampf- und Flüssigphase zurückgeführt werden kann. Schlussendlich werden die Modellgleichungen mithilfe der experimentellen Daten optimiert, sodass durch diese Arbeit ein experimentell validiertes und direkt anwendbares Modell bereitgestellt wird.Due to the increase in volatility in the power distribution grids caused by the growing share of renewable power generation plants, conventional power plants are increasingly subject to dynamic operating patterns. Thus, a fundamental understanding of the associated physical effects, such as condensation effects within the turbine casings, on the operation and lifetime of the machines is essential. To assess the design and durability of the turbine housing, a prediction of the condensate mass flow and the resulting heat transfer into the structure is necessary. One of the models that can be used for this purpose is a yet unvalidated horizontal condensation model developed in the 1960s by Cess and Koh for the prediction of film thickness, condensate mass flow, and heat transfer.
The objective of this work is to experimentally validate and adapt this model to improve the predictive accuracy and reliability of the condensation modeling. Initially, the model is classified in a review of the most relevant condensation models. To complement this, previous experimental studies in the field are presented and related to the model. Subsequently, the Cess/Koh model is derived. On this basis, the developed experimental set-up as well as the applied instrumentation including uncertainty considerations will be presented. In several experimental campaigns, the flow-side model variables such as film thickness and film velocity at the interface as well as the heat transfer variables such as heat flux and heat transfer coefficient are investigated with variation of the steam velocity. The predicted model variables are then compared with the experimental results. It becomes obvious that the model predictions can be qualitatively confirmed, but quantitatively too high values are predicted, which can be attributed to a too high assumed shear stress transfer from the vapor to the liquid phase. Finally, the model equations are optimized with the experimental data, so that an experimentally validated and applicable model can be provided by this dissertation.