Forced convective heat transfer of nitrate salts at high reynolds numbers and high heat flux in a smooth and a spirally grooved tube

Frantz, Cathy Martine Lina; Kneer, Reinhold; Hoffschmidt, Bernhard Franz

doi:45253

Forced convective heat transfer of nitrate salts at high reynolds numbers and high heat flux in a smooth and a spirally grooved tube = Experimentelle Analyse der erzwungenen konvektiven Wärmeübertragung von Nitratsalzen bei hohen Reynoldszahlen und hohen Wärmeströmen in einem glatten und einem spiralförmig gedrallten Rohr

Frantz, Cathy Martine Lina^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Cathy Martine Lina Frantz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Hoffschmidt, Bernhard Franz (Thesis advisor)^RWTH* ; Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03921
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1033052/files/1033052.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Komponenten (DLR) (421010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CSP (frei) ; Wärmeübergang (frei) ; forced convective heat transfer (frei) ; nitrate salt (frei) ; solar salt (frei) ; tube (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der erzwungene konvektive Wärmeübergang von flüssigem Nitratsalz in einem kreisförmigen Glattrohr und einem spiralförmig mit Nuten versehenem Rohr wird experimentell mithilfe eines Testaufbau mit einem wassergekühlten Induktionsheizer untersucht. Der neuartige Versuchsaufbau wird zunächst mit Wasser als Wärmeübergangsmedium validiert, da der erzwungene konvektive Wärmeübergang von Wasser in Glattrohren bekannt ist. Die Versuche für beide Rohrtypen werden anschließend mit dem binären Nitratsalz "Solar Salt" (60% NaNO3 40% KNO3) bei mittleren Fluidtemperaturen zwischen 300 °C und 550 °C durchgeführt. Folglich reichen die Prandtl-Zahlen von 10 bis 3.7. Innerhalb der Glattrohrexperimente werden durch Variation des mittleren Salzmassenstroms Reynoldszahlen von 14000 bis 222000 abgedeckt. Darüber hinaus werden die Experimente mit Wärmeströmen zwischen 330 kW/m² und 930 kW/m² durchgeführt. Um den Einfluss einer lokalen Überhitzung des Salzes über seine chemische Stabilitätsgrenze (d.h. 600 °C) zu untersuchen, wird die mittlere Nusselt-Zahl für Innenwandtemperaturen bis 633 °C ausgewertet. Als Ergebnis wird die mittlere Nusselt-Zahl ermittelt und mit der aus der Literatur bekannten Gnielinski-Korrelation verglichen. Des Weiteren wird mit dem gleichen Aufbau der erzwungene konvektive Wärmeübergang von Solar Salt in einem spiralförmig gedrallten Rohr mit einer relativen Drallhöhe e/di=0.017, einem relativen Rippenabstand von p/di=0.913 und einem Drallwinkel α=73.8° untersucht. Die Versuche werden für Reynolds-Zahlen zwischen 11000 und 285000 und für Flussdichten zwischen 330 kW/m² und 930 kW/m² durchgeführt. Mit dem Aufbau werden Innenwandtemperaturen von bis zu 633 °C erreicht, wodurch eine erweiterte Datenbasis über das Verhalten des erzwungenen konvektiven Wärmeübergangs in Abhängigkeit von der Innenwandtemperatur gewonnen wird. Ergebnis der Untersuchung sind die mittlere Nusselt-Zahl und der Widerstandsbeiwert in Abhängigkeit von Reynolds- und Prandtl-Zahl und der Abgleich mit den Messergebnissen aus den Glattrohrversuchen, sowie mit Korrelationen und Daten aus der Literatur.

The forced convective heat transfer of a molten nitrate salt in a circular smooth tube and a spirally grooved tube is experimentally investigated using a water-cooled induction heater. The novel experimental setup is first validated using water as the main fluid, as its heat transfer is well-known. The final experiments for both tubes are carried out with the so-called nitrate salt “Solar Salt” (60% NaNO3 40% KNO3) at fluid bulk temperatures ranging between 300 °C and 550 °C. Consequently, Prandtl numbers range from 10 to 3.7. For the smooth tube experiments, the salt mass flow is varied to cover Reynolds numbers ranging from 14000 up to 222000. Furthermore, the experiments are conducted with different heat fluxes ranging between 330 kW/m² up to 930 kW/m². To investigate the impact of local overheating of the salt above its chemical stability limit (i.e. 600 °C), the mean Nusselt number is evaluated for inner wall temperatures up to 633 °C. Mean Nusselt numbers are reported and compared to the well-known Gnielinski correlation. The measurements for the spirally grooved tube are carried out for a tube with a relative groove height e/di=0.017, a relative groove pitch p/di =0.913 and groove angle α=73.8° using the same water-cooled induction heater setup. The data is provided for Reynolds numbers ranging between 11000 up to 285000 and for flux densities between 330 and 930 kW/m². The setup achieves inner wall temperatures up to 633 °C, thus providing data on the behaviour of the forced convective heat transfer as a function of inner wall temperature. The mean Nusselt number and friction factor as a function of Reynolds and Prandtl number are reported and compared to the measurement results yielded with the circular smooth tube as well as correlations and data from the literature.

OpenAccess:
PDF
(additional files)