Klaus Gerhard Schmidt

Messung und Berechnung des örtlichen und mittleren Stoffübergangs an stumpf angeströmten Kreisscheiben bei unterschiedlicher Turbulenz

The results of different publications concerning the flow, pressure and velocity distributions as well as the heat and mass transfer of disks and cylinders in cross flow are compared by a literature review. A few diverging results for heat and mass transfer require new experimental and theoretical approaches. The calibration of recently developed techniques for the determination of mass transfer rates as published in [1, 2] make these investigations expecially necessary. Including the cylinder in cross flow the authors show, that up to now exact data of heat and mass transfer for two- or three-dimensional flow at a forward stagnation region can be obtained by direct measuring only.Mass transfer coefficients computed from measured velocity distributions are not confirmed by the experimental results. Compared to the experimental data they are too low. The measurements were accomplished for turbulence intensities 0.8%≤Tu≤6%, Reynolds-numbers 2· 103<Re<105 and disk diameters 9.3 mm ≤d ≤73.7 mm.The influence of the turbulence on the stagnation point mass transfer of disks can be obtained only approximately by the Smith-Kuethe-parameter Tu·√Re/100. Differences between theoretical results of Smith and Kuethe and experimental ones for Tu·√Re/100<5 may be explained by the stability theory. For a more accurate determination of the mass transfer the different transport mechanisms of the scale of turbulence or the tree-dimensional flow pattern like Taylor-Görtler-vortices as well as the structure of the turbulence itself have to be regarded.ZusammenfassungIn einer vergleichenden Literaturübersicht zu Umströmung, Druck- bzw. Geschwindigkeitsverteilung sowie Wärme- und Stoffübergang werden bislang vorliegende Angaben zu stumpf angeströmten Kreisscheiben und -Zylindern zusammengefaßt. Wenige und zudem divergierende Ergebnisse zum Wärme- und Stoffübergang machen grundlegende experimentelle und theoretische Untersuchungen notwendig, wie sie in [l, 2] für die Eichung von Stoffübergangsmeßmethoden benötigt werden.Unter Einbeziehung des quer angeströmten Kreiszylinders wird gezeigt, daß genaue Angaben zum Wärme- und Stoffübergang bei zwei- wie dreidimensionalen Staupunktströmungen bislang nur über die Messung möglich sind. Über gemessene Geschwindigkeitsverteilungen berechnete Stoffübergangskoeffizienten werden von der Messung nicht bestätigt. Sie liegen gegenüber dem Experiment zu niedrig.Die Messungen wurden bei Turbulenzintensit↦en 0,8%≤Tu≤6%, Reynolds-Zahlen 2·103<Re<105 und Scheibendurchmessern 9,3mm≤d≤73,7mm durchgeführt. Der Einfluß der Turbulenz auf den Stoffübergang im Staupunkt von Kreisscheiben kann nur näherungsweise über den Smith-Kuethe-Parameter Tu · √Re/100 erfaßt werden. Differenzen zwischen Theorie nach Smith und Kuethe für Tu· √Re<5 und Messung lassen sich über die Stabilitätstheorie erklären. Für eine genauere Erfassung des Stoffübergangs muß den unterschiedlichen Transportvorgängen über Turbulenzballen oder Längswirbeln sowie der Struktur der Turbulenz Rechnung getragen werden.

Determination of Hydrogen Single Ion Activity Coefficients in Aqueous HCl Solutions at 25°C

The single ion activity coefficients of hydrogen and chloride ions in aqueous HCl solutions have been estimated at 25°C at concentrations up to 1 mol-kg−1, using potentiometric measurements with ion-selective electrodes and appropriate calibration procedures. Two methods are described for an internal calibration of the electrodes in the extended Debye–Hückel concentration range. The results are compared to the conventional pH calibration with external buffer solutions. Since the latter calibration method does not account for the liquid junction potential EJ which arises at the reference electrode, the resulting activity coefficients are quite different in HCl solutions of higher concentration. These differences between internal and external calibration decrease significantly, when a correction for EJ is introduced into the conventional pH calibration. Hence, in solutions of higher ionic strength the accuracy of the conventional pH electrode calibration using buffer solutions is very limited, when exact H+ activities are required. The consistency of the results indicates that the liquid junction potentials in the examined systems calculated by the Henderson/Bates approximation are of reasonable precision.

Einfluß von Anströmprofil und Turbulenzintensität auf die Umströmung längsangeströmter Platten endlicher Dicke

The flow parallel to thick plates separates in the nose section and reattaches on the flat plate after a certain distance. Compared with the thin flat plate the flow separation with reattachement causes significant changes of flow, heat transfer and pressure drop.The informations about the flow are recieved from measurements of local mass transfer coefficients (Sc=0,616), which are fotometrically determined by light-remission. The fundamentals of the measuring technique are based on absorbed ammonia and subsequent chemical reaction with immediate color reaction. The main parameters of flow and related mass transfer are the nose of the plate, the Reynolds-number ResB and especially the turbulence intensity Tu. The measurements were accomplished with plates of a thickness 0.8 mm ≤ s ≤ 91.3 mm of truncated, hemicylindrical and wedge-shaped noses and with cylinders in parallel flow of truncated, hemispherical and conical noses. The ResB -number with the plate thickness as characteristic length was varied in a wide range between 102 < ResB < 2 · 105, the turbulence intensity Tu between 0,8% ≤ Tu ≤ 6%.The measured results indicate, that the flow around thick plates may generally be subdivided into three main forms of the flow: “boundary layer of flat plate”, “separation bubble” and “vortex shedding with reattachement”. The critical Reynolds-numbers for the transition of one form to another were determined as a function of the different shapes of noses. For the first time longitudinal vortices can be observed for separation bubbles with significant influence on the flow and on the mass transfer.Thick plates with flow separation and reattachement may be subdivided into three sections: 1. the nose section, 2. the section of separated flow, 3. the section of boundary layer of flat plate downstream of reattachement. For the computation of local mass transfer rates, the position of the maximum mass transfer at the point of reattachement — the dividing line of the 2nd and 3rd section — are determined as a function of the main parameters plate nose, ResB -number and turbulence intensity.ZusammenfassungAn längsangeströmten dicken Platten löst sich die Strömung im Bereich des Anströmprofils ab und legt sich nach einer gewissen Entfernung wieder an die Platte an. Dies führt gegenüber der dünnen Platte zu signifikanten Veränderungen von Umströmung, Wärmeübergang und Druckverlust.Die Aussagen zur Umströmung werden aus örtlichen Stoffübergangsmessungen (Sc=0,616) mit Hilfe einer remissionsfotometrischen Stoffübergangsmeßmethode auf der Basis von Absorption, chemischer Reaktion und gekoppelter Farbreaktion gewonnen. Als wesentliche Einflußgrößen auf Umströmung und zugeordneten Stoffübergang sind das Anströmprofil, die Anström-Reynolds-Zahl ResB sowie insbesondere die Turbulenzintensität Tu zu nennen. Die Untersuchungen erstrecken sich auf Platten mit Dicken 0,8 mm≤s≤91, 3 mm mit stumpfem, halbrundem und keilförmigen Anströmprofilen sowie auf längsüberströmte Kreiszylinder mit stumpfem, halbkugelförmigem und kegelförmigen Anströmprofilen. Die mit der Plattendicke s gebildete ResB -Zahl wurde in weiten Grenzen 102 < ResB < 2 · 105, die Turbulenzintensität zwischen 0,8 ≤ Tu ≤6% variiert.Die Ergebnisse zeigen, daß sich die Umströmung dicker Platten generell in drei Hauptströmungsformen “Plattengrenzschicht”, “Ablöseblase” und “Querwirbelablösung” untergliedern läßt. Der Übergang von einer Strömungsform zur anderen wird durch kritische ResB -Zahlen erfaßt und die Abhängigkeit vom Anströmprofil über einen Profilfaktor beschrieben. Bei Ablöseblasen konnten erstmals an Platten Längswirbel nachgewiesen werden mit ihren charakteristischen Auswirkungen auf Umströmung und Stoffübergang.Dicke Platten mit Strömungsablösung lassen sich in drei Abschnitte unterteilen: 1. Profilbereich, 2 Bereich abgelöster Strömung, 3. Plattengrenzschicht ab Wiederanlegen der Strömung. Im Hinblick auf eine Berechnung des örtlichen Stoffübergangs wird die Lage des Stoffübergangsmaximums beim Wiederanlegen der Strömung — als Trennlinie der beiden letzten Plattenabschnitte — unter Einbeziehung der wesentlichen Parameter Anströmprofil, ResB-Zahl und Turbulenzintensität erfaßt und als Berechnungsgleichung angegeben.

Bestimmung des örtlichen und mittleren Stoffübergangs an längsangeströmten Platten endlicher Dicke mit Ablösen und Wiederanlegen der Strömung

The thick flat plate and the circular cylinder in parallel flow with flow separation and reattachement may generally be subdivided into three main sections: the nose section, the section of separated flow and the following section of boundary layer of the flat plate [1]. The maximum mass transfer at the reattachement is specially important as the starting line of a new boundary layer. For the first time the advantages of the applied remission fotometrical measuring technique for the determination of local mass transfer rates allow a complete interpretation of the maximum mass transfer at the reattachement of the flow as well as further informations about the minimum mass transfer in the section of separated flow. As a literature review shows, also for the cylinder in cross flow the maximum mass and heat transfer behind separation bubbles can be determined with the equation valid for thick plates by using analogous parameters.For a computation of the local and average mass transfer along the whole length of the plate or of the cylinder it is reasonable to discuss the mass transfer in the three forementioned section apart. The distribution of the mass transfer within the section of separated flow is presented in a related, dimensionless form. The main parameters plate nose, ResB -number and turbulence intensity as well as the characteristic main forms of the flow “separation bubble” and “vortex shedding with reattachement” are taken into account.The mass transfer in the boundary layer downstream of the reattachement can be computed in analogy to that of the turbulent boundary layer, but an additional term considers the form of the flow separation, the ResB -number and the value of the maximum mass transfer.ZusammenfassungDie längsangeströmte dicke Platte und der längsüberströmte Kreiszylinder mit Strömungs-ablösung und Wiederanlegen der Strömung lassen sich generell in drei Abschnitte untergliedern: Profilbereich, Bereich abgelöster Strömung und anschließende Plattengrenzschicht [1].Besondere Bedeutung kommt dem Ort maximalen Stoffübergangs beim Wiederanlegen der Strömung als Startlinie einer neuen Grenzschicht zu. Die Vorteile der eingesetzten remissionsfotometrischen StoffÜbergangs meß-methode gestatten erstmals eine geschlossene Aussage zum Stoffübergangsmaximum beim Wiederanlegen von Strömungen und erweiterte Aussagen über die Erfassung des minimalen Stoffübergangs im Bereich abgelöster Strömung. Wie ein Literaturvergleich zeigt, wird auch am quer angeströmten Kreiszylinder der maximale Stoffübergang nach Ablöseblasen mit der an dicken Platten gewonnenen Beziehung beschrieben, wenn analoge Bezugsgrößen eingeführt werden.Für eine Berechnung des örtlichen und mittleren Stoffübergangs über die gesamte Platten- bzw. Zylinder-länge ist es zweckmäßig, die genannten drei Abschnitte getrennt zu behandeln. Die Verteilung des Stoffübergangs im Bereich abgelöster Strömung wird in bezogener, dimensionsloser Form unter Einbeziehung der wesentlichen Einflußgrößen Anströmprofil, ResB -Zahl und Turbulenzintensität dargestellt sowie durch Berech-nungsgleichungen für die charakteristischen Strömungsformen “Ablöseblase” und “Querwirbelablösung” erfaßt.Für den Stoffübergang in der Plattengrenzschicht ab dem Wiederanlegen der Strömung ergibt sich eine Beziehung analog zu jener der turbulenten Plattengrenzschicht, wenn in einem Erweiterungsterm zusätzlich die Strömungsform der Strömungsablösung, die ResB -Zahl sowie die Höhe des Stoffübergangs im Maximum berücksichtigt werden.

Eine remissionsfotometrische Meßmethode zur Bestimmung örtlicher Stoffübergangskoeffizienten bei Zwangskonvektion in Luft

The publication represents an improved measuring technique for local mass transfer coefficients which are fotometrically determined by light remission. The described technique is characterized by simple handling, good local accuracy, high local resolution and analogy between heat transfer and observed mass transfer. All kinds of complicated surfaces, which can be projected into a plane or even not, may be investigated. The physico-chemical fundamental of the measuring technique is based on a reaction of absorbed ammonia and immediate color reaction. Its intensity determined by fotometrical remission corresponds with the mass transfer rate. These and the according fotometrical results can be related with each other by the heat and mass transfer at the stagnation point of a cylinder and a disk in cross flow. Compared to former investigations this calibration is accurately and more easily accomplished when recently developed measuring techniques are appointed and the equipment is improved. For serial measurements the new technique has a great advantage, that the distribution of mass transfer rates is quite similar to that of the fotografic density. Therefore an immediate qualitative survey can be carried out. A practical example is given by a model of a fin tube heat exchanger with three rows of tubes behind each other. The possibilities of a tv-technical equidensitometry are demonstrated for the complicated evaluation of mass transfer distributions.ZusammenfassungEs wird eine weiterentwickelte remissionsfotometrische Meßmethode zur Bestimmung örtlicher Stoffübergangskoeffizienten in Luft bei Zwangskonvektion vorgestellt. Sie zeichnet sich aus durch sehr einfache Handhabung, große örtliche Meßgenauigkeit, hohes örtliches Auflösungsvermögen und Gültigkeit der Analogie von Wärme- und Stoffübertragung. Sie eignet sich für Messungen an abwickelbaren wie nicht abwickelbaren sowie feingliedrigen Oberflächen. Das physikalisch-chemische Meßprinzip basiert auf einer chemischen Nachweismethode für Ammoniak auf der Grundlage von Absorption, chemischer Reaktion und gekoppelter Farbreaktion- sichtbar als Färbung. Die dem Stoffübergang entsprechende Farbintensität wird remissionsfotometrisch gemessen. Der Zusammenhang zwischen übergegangener Stoffmenge und fotometrischem Farbmeßwert wird über den Staupunkt von querangeströmtem Kreiszylinder und stumpf angeströmter Kreisscheibe erstellt. Diese Eichung läßt sich in genauer und einfacher Weise durchführen, wenn gegenüber früheren Arbeiten eine gezielt verbesserte Versuchseinrichtung sowie neu entwickelte Eichverfahren eingesetzt werden. Die Meßmethode impliziert für den Routineeinsatz den großen Vorteil, daß die Verteilung des Stoffübergangs quasi als “Schwärzungsverteilung” vorliegt und damit schon visuell einen sofortigen qualitativen Überblick vermittelt. Dies wird beispielhaft an einem Rippenrohrmodell mit drei hintereinanderliegenden Rippenrohrreihen demonstriert sowie die Möglichkeit der fernsehtechnischen Äquidensitometrie zur Auswertung komplizierter Stoffübergangsfelder aufgezeigt.

Numerische Berechnung des Partikeltransportes zu einer laminar angeströmten Kreisscheibe

ZusammenfassungIn zunehmendem Maße erhalten Prozeßschritte, in denen Produktpartikel aber auch produktkontaminierende Partikel aus der Gasphase auf Substrate niedergeschlagen werden, Bedeutung.Diese Arbeit widmet den Partikeltransportvorgängen im Nahbereich der Oberfläche einer umströmten Kreisscheibe innerhalb einer laminaren Strömung besondere Aufmerksamkeit.Unter Berücksichtigung der geometrischen Ähnlichkeit wird die strukturelle Analogie der Differentialgleichungssysteme für das Geschwindigkeits- und Temperaturfeld und die Grenzen ihrer Anwendbarkeit für die Partikelerhaltungsgleichung dargestellt.Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen liefern detaillierte Angaben über den jeweiligen Grenzschichtbereich und verdeutlichen dabei insbesondere die Wirkung externer Kräfte auf Grenzschichtdicke und das Partikelanzahlkonzentrationsprofil.Der Transport submikroner Partikel zur Oberfläche wird bei gleichzeitig wirkender Konvektion, Diffusion, Schwerkraft und thermophoretischer Kraft theoretisch untersucht.In der hier vorgestellten normierten Form wird die physikalische Ursache der einzelnen Kräfte innerhalb der Transportgleichungen unbedeutend. Ihre resultierende Wirkung im Vergleich zum konvektiven Transport entscheidet über die Partikeldeposition.AbstractIncreasingly process steps become important, in which particles as product particles or contaminants are deposited on substrates out of the gas phase.In this paper the particles transport processes are investigated close to the surface of a circular plate surrounded by a laminar flow.The analogy between the governing equations of momentum, energy and mass is applied to the extended diffusion equation. In the nondimensional form the results of the numerical calculations give informations about velocity, temperature and particle concentration boundary layer thickness as well as their distributions.Especially the impact of external forces on particle concentration boundary layer thickness and profile is discussed. The transport of submicron particles to the surface due to convection, diffusion, gravity and thermophoretic forces acting independently is investigated.In the used normalized form the different forces are acting as one resulting force independently of their origin.Their resulting effect in comparison to the effect due to convective diffusive transport is important for particle deposition.