Sprühkühlung ist eine Technologie, die leicht auf verschiedenste Oberflächengeometrien angewendet werden kann und unter bestimmten Bedingungen hohe Kühlraten erzielt. Die Sprühkühlung hat zahlreiche Anwendungen, darunter medizinische Laserbehandlungen, das Abschrecken von Metallen, die Kühlung von Warmschmiedegesenken und leistungsstarken elektrischen Systemen.

Die Vorhersage optimaler Sprühkühlungsparameter ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Kühlleistung hängt von den Wechselwirkungen verschiedener hydrodynamischer und thermodynamischer Phänomene ab. Mehrere Faktoren beeinflussen dieses komplexe Zusammenspiel, wie z. B. die Größe und Geschwindigkeit der einzelnen Tropfen, die Massenstromdichte, die Materialeigenschaften und die Substrattemperatur. Der beste Ansatz zur Modellierung der Sprühkühlung basiert auf den Ergebnissen des Auftreffens eines einzelnen Tropfens auf einem heißen Substrat, da dieses Phänomen ein grundlegender Bestandteil der Wechselwirkungen zwischen dem Spray und der Wand ist. Dieser Ansatz führte bereits zu zuverlässigen Modellen für den Blasensiedebereich und Filmsiedebereich bei der Sprühkühlung. Der Übergangssiedebereich ist jedoch noch nicht vollständig verstanden und es fehlen zuverlässige Modelle, die die wesentlichen physikalischen Phänomene berücksichtigen.

Das Ziel dieser Studie ist es, das derzeitige Wissen über die Phänomene des Übergangssiedens zu erweitern, die bei der Sprühkühlung im Temperaturbereich zwischen dem Blasensieden und Filmsieden auftreten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der experimentellen und theoretischen Untersuchung des Einzeltropfenaufpralls, der Wechselwirkungen zwischen den Tropfen auf dem Substrat und schließlich der Modellierung der Sprühkühlung. Der Versuchsaufbau ermöglicht, den Tropfenaufprall zu beobachten sowie die Messung der Wärmestromdichte, von charakteristischen Zeiten beim Tropfenaufprall und der Einzeltropfen Aufprallparameter bei verschiedenen initialen Substrattemperaturen.

Der Einzeltropfenaufprall wird für die wichtigsten Ergebnisbereiche untersucht, die mit dem Übergangssieden verbunden sind: "Drop Dancing", "Wet Drop Rebound" und "Thermal Atomization". Das Regime Drop Dancing zeichnet sich dadurch aus, dass die Tropfen nach einer charakteristischen Zeit über dem Substrat schweben und "tanzen". Dieses Phänomen wird unter der Annahme perkolierender Dampfblasen im Flüssigkeitsfilm modelliert, die unter bestimmten Bedingungen ein unendliches Dampfcluster bilden können. Die so modellierte Perkolationszeit wird mit der experimentell ermittelten charakteristischen Zeit verglichen. Beide Zeiten stimmen sehr gut überein. Weiterhin wird die Grenztemperatur zwischen dem Drop Dancing Bereich und Wet Drop Rebound Bereich experimentell anhand der Tropfenverweildauer bestimmt. Es wird angenommen, dass die Perkolation von Dampfblasen dazu führt, dass ein auftreffender Tropfen abprallt, während er die Oberfläche benetzt. Die Grenztemperatur zwischen beiden Regimen wird basierend auf der Annahme modelliert, dass die Perkolationszeit in der Größenordnung der natürlichen Tropfenschwingungsdauer liegt. Diese theoretisch vorhergesagte Grenztemperatur, die auch als Thermosuperrepellency Temperatur genannt wird, stimmt gut mit der Grenztemperatur zwischen dem Drop Dancing Bereich und Wet Drop Rebound Bereich überein. Schließlich wird die Wärmestromdichte, die vom heißen Substrat abgeführt wird, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung im Thermal Atomization Bereich gemessen. Die Wärmestromdichte wird zweidimensional modelliert, unter der Annahme, dass die Oberfläche benetzt und von Wärmeleitung an der Flüssigkeit/Substrate Grenzfläche. Die experimentellen Daten und die theoretische Vorhersage liegen in der gleichen Größenordnung.

Bei der Übertragung von Ergebnissen des Einzeltropfens auf die Sprühkühlung ist es wichtig, auch die Wechselwirkungen der auftreffenden Tropfen auf dem heißen Substrat zu verstehen. Die Wechselwirkungen werden durch die instationäre Kühlung eines heißen Substrats mit einer Tropfenkette im Drop Rebound Bereich untersucht. Die aufprallenden Tropfen verursachen einen Temperaturgradienten im Substrat, der bei den Versuchen gemessen wird. Dieser Temperaturabfall wird modelliert, indem die aufkommenden Tropfen und die von jedem auftreffenden Tropfen abgeführten Wärme superpositioniert wird. Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse stimmen gut überein. Weiterhin wird die entwickelte Theorie verwendet, um die Bildung von Flüssigkeitsansammlungen im Rahmen der Sprühkühlung zu beschreiben. Diese Ansammlungen entstehen durch interagierende Tropfen bei Wandtemperaturen nahe der Thermosuperrepellency Temperatur.

Die Ergebnisse des Einzeltropfenaufpralls und der Tropfenwechselwirkungen werden kombiniert, um ein Modell der Sprühkühlung im Übergangssiedegebiet zu entwickeln. Die Erkenntnisse über die Dampfblasenperkolation beim Drop Dancing und die Tropfenwechselwirkungen werden zur Modellierung der Wärmestromdichte verwendet. Die Ergebnisse der Modellierung stimmen gut mit der experimentellen Wärmestromdichte für Sprays mit niedriger Tropfendichte überein, obwohl bei der Modellierung keine empirischen Parameter verwendet werden. Ferner wird die sogenannte Leidenfrost-Temperatur bestimmt, die mit dem minimalen Wärmestrom während der instationären Sprühkühlung verbunden wird. Es wird gezeigt, dass die Leidenfrost-Temperatur für Sprays sehr gut mit der theoretisch vorhergesagten Thermosuperrepellency Temperatur korreliert. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Temperatur der minimalen Wärmestromdichte nicht durch den Beginn des Filmsiedens bestimmt wird, sondern durch das Auftreten von Thermosuperrepellency, hervorgerufen durch die Perkolation von Dampfkanälen an der Flüssigkeit/Substrat Grenzfläche.