Masterarbeit Thomas Horst

 

Experimentelle Analyse der räumlichen Tropfenverteilung in Befeuchtungssystemen für raumlufttechnische Anlagen

In der vorliegenden Arbeit wird die räumliche Tropfenverteilung in der Befeuchtungsstrecke eines Dampfbefeuchtungsprozesses von Raumluft in einem Versuchskanal untersucht. Mittels Laser- Doppler-Anemometrie wird die Partikelrate und Geschwindigkeit der entstehenden Tropfen an 81 Positionen in definierten Abständen zur Dampflanze gemessen. Der Verlauf der hierdurch bestimmbaren Teilchendichte des Befeuchtungsnebels kann als Maß für die Entwicklung der Nebelfahne herangezogen werden.

Zur Identifikation von Einflussfaktoren und deren Auswirkungen auf das System wird mit Hilfe statistischer Versuchsplanung (design of experiments) ein mathematischer Versuchsraum erstellt und vermessen. Hierbei werden neben linearen und quadratischen Effekten auch Wechselwirkungseffekte berücksichtigt. Die Betriebsparameter des Befeuchtungssystems sind dabei über die Temperatur T , den Volumenstrom V˙ , die Änderung der relativen Feuchte ∆φ und die erreichte relative Ausgangsfeuchte φ aus definiert, welche stufenweise variiert werden.

Die Auswertung der durchgeführten Versuchsreihe schließt mehrere Eigenschaften der Nebelfahne ein. Diese umfassen neben der räumlichen Verteilung der Tropfen die maximale gemessene Partikelrate sowie die Charakteristika des Kondensations- und des Verdunstungsprozesses.

Über die graphische Darstellung der erfassten Partikelraten ist eine qualitative Bewertung des räumlichen Verlaufs der Nebelfahne möglich. Es sind wiederkehrende lokale Maxima der Partikelrate in kurzer Distanz zur Dampflanze in der Kanalmitte und eine Verzögerung der Tropfenentstehung in der Nähe der Kanaldecke zu beobachten. Die Gesamtausprägung der Nebelfahne ist dabei in erster Linie durch die Variation von φ aus bestimmt.

Die statistische Auswertung des Versuchsplans hinsichtlich der maximal gemessenen Partikelraten zeigt, dass alle Versuchsparameter einen linearen Einfluss auf die Höhe der Datenrate haben. Quadratische Effekte sowie Wechselwirkungsbeziehungen zeigen keine Signifikanz, mit Ausnahme der Wechselwirkung T · φ aus. Ein gleichzeitiges Anheben beider Parameter reduziert die Anzahl der detektierten Tropfen. Der stärkste lineare Einfluss geht von der relativen Ausgangsfeuchte aus. Diese bestimmt damit maßgeblich, wie hoch die Keimbildungs- und damit die Partikelrate ist.

Der Hergang der Kondensationsprozesse konnte mittels der erhobenen Daten nicht vollständig geklärt werden. Es zeigt sich eine zunächst spontane Entwicklung der Nebelfahne im Nahbereich der Dampflanze. In einem Teil der Versuche wird im Anschluss eine Verzögerung des Einsetzens der nachfolgenden Verdunstung beobachtet. Es ist zu vermuten, dass an dieser Stelle andere Einflüsse den Vorgang bestimmen oder die räumliche Auflösung der Messpositionen für eine Beschreibung des Hergangs nicht ausreicht.

Nach Beendigung der Kondensationsprozesse ist ein exponentieller Abfall der Partikelraten über die Länge der Messstrecke zu beobachten, wobei der durch Regression bestimmte Exponentialkoeffizient als Rate definiert werden kann, mit der die Anzahl der detektierten Partikel abnimmt. Eine Erhöhung von φ aus oder ∆φ hat eine Minderung der Rate zur Folge, während sie durch eine An-hebung von T zunimmt. Dabei überwiegt der Einfluss von φ aus und ∆φ. Nichtlineare Effekte oder Wechselwirkungseffekte sowie ein Einfluss des Volumenstroms konnten in diesem Zusammenhang nicht nachgewiesen werden. Die Geschwindigkeit der Verdunstung ist somit bei hohen relativen Feuchtigkeiten in der betrachteten Messstrecke deutlich vermindert.