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Heat transfer during transient spray cooling: An experimental and analytical study

Tenzer, Fabian Michael (2020):
Heat transfer during transient spray cooling: An experimental and analytical study.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011344,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Heat transfer during transient spray cooling: An experimental and analytical study
Language: English
Abstract:

Spray cooling features a very high, homogeneously distributed cooling performance. Therefore it is used in various industrial applications, like cooling of high powered electronics, for quenching during metalworking or cooling of tools during hot forging. The cooling efficiency is influenced by a large number of parameters: drop diameter and velocity, mass flux, surface temperature, spray fluid and temperature, surface material and conditions, etc. The entire process is extremely complex and to date only few physical models exist describing the heat transfer rates as a function of these parameters. Instead, the heat flux is mainly predicted using empirical correlations, which are often not suited for conditions other than those from which they were derived - universality of these correlations is lacking. The present study strives to replace these empirical correlations with theories based on physics. In this study the transient spray cooling of a hot thick target is experimentally and analytically investigated. The locally resolved temporal evolution of the heat flux and surface temperature of an initially homogeneously heated substrate is measured during continuous spray impact. This experimental quantification captures the influence of various spray features (droplet diameter, velocity and mass flux), spray impact angle, spray fluid temperature, wall thermal properties and wall surface roughness, whereby the mass flux is found to be the dominating factor in determining cooling performance. Furthermore, visual observations of spray impact at high surfaces temperatures beyond the Leidenfrost point identifies no closed liquid film separated from the surface by a vapor layer, as it is often imagined for these conditions. Instead, the spray impact is governed by a superposition of single drop impacts at a dry wall. Therefore, there is no risk of unintentionally flooding the surface, thus limiting the heat flux due to an inordinately high mass flux. Spraying a surface at an oblique angle, as well as spraying with hot fluid decreases the heat flux. Increasing the surface roughness or using substrates which have a high thermal conductivity results in higher cooling performances. Theoretical models to predict the heat flux during spray cooling are developed and validated with experimental results. A model for the film boiling regime accounts for spray and wall properties and predicts the temporal evolution of surface temperature and heat flux. It agrees well with experimental data. A theory for the nucleate boiling regime indicates that the heat flux is limited by the thermal inertia of the substrate material and is not a function of the spray properties. Furthermore, the Leidenfrost point is found to be nearly independent of the spray properties. Instead, it is strongly influenced by the material of the substrate and fluid: A high thermal effusivity leads to a low Leidenfrost temperature and vice versa. This influence is captured in a newly developed theoretical prediction.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Sprühkühlung zeichnet sich durch eine sehr hohe und gleichmäßig verteilte Kühlleistung aus. Deshalb wird sie in einer großen Bandbreite von industriellen Prozessen eingesetzt, wie beispielsweise bei der Kühlung von Hochleistungselektronik, zum Abschrecken während der Metallherstellung oder zur Kühlung von Schmiedewerkzeugen in der Massivumformung. Die Effizienz der Kühlung wird von einer Vielzahl von Größen beeinflusst. Dazu zählen unter anderem: Tropfendurchmesser und -geschwindigkeit, Beaufschlagungsdichte, Oberflächentemperatur, das Spraymedium sowie dessen Temperatur, Material und Beschaffenheit der Oberfläche und viele mehr. Der gesamte Prozess ist extrem komplex und bis jetzt existieren nur sehr wenige physikalische Modelle, die diesen beschreiben. Stattdessen müssen zur Vorhersage des Wärmestroms empirische Korrelationen verwendet werden, die auf Grund von fehlender Universalität nicht immer zur entsprechenden Anwendung passen. In dieser Arbeit wird die transiente Sprühkühlung eines heißen, dicken Körpers experimentell und analytisch untersucht. Hierbei wird die zeitliche Entwicklung der Wärmestromdichte und der Oberflächentemperatur während der kontinuierlichen Sprühkühlung des zu Beginn homogen erwärmten Körpers gemessen. Diese experimentelle Quantifizierung umfasst den Einfluss verschiedener Arten des Sprays (Tropfendurchmesser, Geschwindigkeit und Beaufschlagungsdichte), des Winkels des Sprayaufpralls, der Wassertemperatur des Sprays, der thermischen Eigenschaften des gekühlten Materials und der Rauigkeit der Oberfläche. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beaufschlagungsdichte die maßgebende Einflussgröße für eine hohe Kühlleistung ist. Weiterhin zeigen die visuellen Beobachtungen keinen geschlossenen Wasserfilm, der durch einen Dampffilm von der Oberfläche getrennt ist. Somit ergibt sich in den meisten Anwendungen kein Risiko, durch eine zu große Beaufschlagungsdichte die Oberfläche zu überschwemmen und damit den Wärmestrom zu limitieren. Die Kühlung einer schrägen Oberfläche sowie das Kühlen mit heißem Wasser reduziert die Kühlleistung, während Oberflächenrauigkeit und Verwendung eines Substrats mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Wärmestromdichte erhöhen. Weiterhin wurden während dieser Arbeit theoretische Modelle zur Vorhersage der Wärmestromdichte entwickelt und mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Ein Modell für das „film boiling regime“ berücksichtigt den Einfluss verschiedener Sprays und Substrateigenschaften. Es beschreibt die zeitliche Entwicklung der Wärmestromdichte und Oberflächentemperatur und stimmt sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Weiterhin zeigt eine Theorie für das „nucleate boiling regime“, dass die Wärmestromdichte durch die thermische Trägheit des Substrats limitiert wird und nahezu unabhängig von den Sprayeigenschaften ist. Der Leidenfrostpunkt ist ebenfalls unabhängig von den Sprayeigenschaften. Stattdessen wird er stark vom Material des Substrats und Fluids beeinflusst: Ein großer Wärmeeindringkoeffizient erzeugt eine geringe Leidenfrosttemperatur und umgekehrt. Dieser Einfluss wird durch die entwickelte Theorie gut vorhergesagt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA) > Dynamics of drops and sprays
Date Deposited: 18 Jun 2020 11:52
Last Modified: 09 Jul 2020 06:24
DOI: 10.25534/tuprints-00011344
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113442
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and Roisman, Apl. Prof. Ilia V. and Specht, Prof. Dr. Eckehard
Refereed: 26 March 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11344
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