Untersuchung der Schallgeschwindigkeit in Zweiphasenströmungen

Die Schallgeschwindigkeit ist eine zentrale akustische, thermodynamische und strömungsmechanische Größe. In einphasigen Fluiden ist die Schallgeschwindigkeit eine thermodynamische Zustandsgröße und somit abhängig vom Fluid, in dem sich der Schall ausbreitet. In Zweiphasenströmungen ist die Schallgeschwindigkeit fluid-, zustands-, volumendampfgehalt-, frequenz- und strömungsformabhängig. Für die Strömungsformen in horizontalen und senkrechten Rohren gibt es gemäß dem Stand der Wissenschaft eine Vielzahl an physikalischen, eindimensionalen, analytischen Schallgeschwindigkeits-Modellen. Diese Modelle sind zumeist gültig unter der Voraussetzung, dass die Schallwellenlänge sehr viel größer ist als die charakteristische Länge der Strömungsformgeometrie. Mittels des Vergleiches der Modelle mit den Messdaten aus der Literatur wird in dieser Arbeit gezeigt, dass bisher nur für die homogene Blasenströmung eine fundierte Modellwahl durchgeführt werden kann, das Modell von Wood (1930) ist anwendbar. In den anderen Strömungsformen sind weitere, neuartige Messdaten für eine fundierte Modellwahl erforderlich. Die Schallgeschwindigkeit wird in dieser Arbeit mittels des Zwei-Mikrofon-Verfahrens mit den kältemittelseitigen Verdichterpulsationen als neuartige Schallquelle und der Kreuzkorrelation als Analyseverfahren in den Kältemitteln R1234yf, R134a und R744 gemessen. Auf Basis der neuen Schallgeschwindigkeits-Messdaten und der Daten aus der Literatur werden folgende Modelle für die Anwendung in den jeweiligen Strömungsformen empfohlen: In Nebel-, Ring- und Austrocknungsströmungen sind die Modelle von Henry u. a. (1971) und Mecredy u. a. (1972) für Nebelströmungen anwendbar, in denen die Schallgeschwindigkeit in etwa der der reinen Dampfphase entspricht. In Schichten- und Wellenströmung ist das Modell von Van Dijk (2005) für Schichtenströmungen anwendbar, in dem sich der Schall durch beide Phasen mit einer gemeinsamen Geschwindigkeit ausbreitet, welche in etwa der der reinen Dampfphase entspricht. In Pfropfenströmung im horizontalen Rohr breitet sich Schall mit derselben Geschwindigkeit aus, wie er es in einer Schichtenströmung mit gleichem Volumendampfgehalt tun würde, sodass das Modell von Van Dijk (2005) für Schichtenströmungen anwendbar ist. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen in Kältemittel-Öl-Gemischen zeigen, dass das Kältemaschinenöl bei den untersuchten Betriebsbedingungen keinen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit in Zweiphasenströmungen hat.