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Multi-Scale Investigation of Nucleate Boiling Phenomena in Microgravity

Schweizer, Nils :
Multi-Scale Investigation of Nucleate Boiling Phenomena in Microgravity.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multi-Scale Investigation of Nucleate Boiling Phenomena in Microgravity
Language: English
Abstract:

The subject of the present thesis is the experimental investigation of nucleate boiling phenomena in microgravity on different length scales. Nucleate boiling is a highly efficient heat transfer mechanism and widely applied in industry. For the design of nucleate boiling processes the availability of precise and reliable calculation tools is mandatory to predict the performance of the process. Moreover, a precise prediction of the process limits, like the critical heat flux is of tremendous importance with regard to safety aspects since exceeding these limits may lead to the destruction of the system. Due to the highly dynamic nature of boiling processes and the large number of involved phenomena that are coupled in a complex way, a closed theoretical description is not yet achieved. The aim of the present thesis is to contribute to the fundamental understanding of nucleate boiling. The core of the experimental setup is a stainless steel heating foil with a thickness of 20 µm. A single, artificial nucleation site is manufactured electrolytically in the centre of the foil’s upper side. The heating foil is located in a cuboid boiling cell filled with the working fluid FC-72. The saturation conditions (pressure and temperature) of the boiling cell can be adjusted. The temperature distribution of the heating foil was measured via infrared thermography from the back side with high spatial (30 µm/pixel) and high temporal (1000fps) resolution. Bubble shapes and motion were recorded by a synchronized high speed camera. The experiments were conducted on parabolic flights. One of the reasons was the enhancement of the temporal and spatial resolution because the bubble detach later at a larger diameter in microgravity. Furthermore, effects could be observed that are normally masked by natural convection which vanishes in weightlessness. By using the complete spectrum of gravity levels of the parabolic flight (0g-1.6g) the implementation of gravity in common empirical correlation could be investigated. Before recording a measurement sequence, mostly, a continual boiling process was established at the artificial nucleation site already during normal or hypergravity phases, respectively. Alternatively, fully developed boiling was investigated during some of the experiment runs. The measurement sequence with a duration of 4 s was triggered during microgravity or during the transition into the microgravity phase. The influence of gravity on bubble departure diameter and bubble frequency was studied and compared to common empirical correlations. Even if the implementation of gravity in some of the correlations agrees with the measurements the absolute value of the predicted departure diameter or the bubble frequency largely deviates from the experimental data. A new correlation for the departure diameter was developed based on a force balance between surface tension as attaching and buoyancy as detaching force, similar to the approach in the well known Fritz’ correlation. This new correlation is solely based on theoretical assumption and includes no empirical “fitting” factor. Nevertheless, it shows a very good agreement to the experimental results. Additionally, a new correlation for the bubble frequency based on the correlation of Mikic and Rhosenow was proposed. The transient heating foil temperature distribution and the local heat flux to the fluid were investigated. The local heat flux was calculated by applying an unsteady energy balance at each pixel element of the heating foil. A characteristic ring shaped maximum in the heat flux distribution was observed that was caused by strong evaporation in the vicinity of the three phase contact line at the bubble foot. The ring surrounds a region of negligible heat flux. In this region a non-evaporating adsorbed film exists at the wall and only poor convective heat transfer to the vapor inside the bubble takes place. The heat flux outside the ring is governed by convective heat transfer to the liquid and practically not influenced by the observed boiling process. This convective heat flux to the liquid is in the range of the electrical power density of the foil. Additional to the heat flows in these three regions the latent heat flow was included in an evaluation of the various heat transfer paths during a bubble ebullition cycle. The comparison to numerical simulations revealed very good qualitative but also reasonably good quantitative agreement between experimental and numerical results. As an additional stimulus a high voltage electrode was placed in a distance of 5 mm above the heating foil. The washer shaped electrode was charged to up to 10 kV. The objective of this setup was to study the influence of the electric field on the boiling process regarding the evaluation of a possible replacement of buoyancy as the detaching force in weightlessness. After the activation of the electric field in microgravity the attached spherical vapor bubble was elongated, sucked into the electrode’s centre and, thereby, detached due to the dielectrophoretic force. A reliable fully developed boiling process could be established in microgravity in the presence of the electric field.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung von Blasensiede-Phänomenen in Mikrogravitation auf verschiedenen Längenskalen. Blasensieden ist ein hocheffizienter Wärmeübertragungs-mechanismus und wird in vielfältigen industriellen Anwendungen eingesetzt. Zur Auslegung von Prozessen, in denen Blasensieden vorkommt, ist es unerlässlich, zuverlässige und präzise Berechnungswerkzeuge zur Verfügung zu haben, um die Leistung des Prozesses vorherzusagen. Auch eine präzise Vorhersage der Grenzen des Prozesses, wie beispielsweise des kritische Wärmestroms, sind unter sicherheitstechnischen Aspekten wichtig, da die Überschreitung dieser Grenzen zur Zerstörung des entsprechenden Bauteils führen kann. Aufgrund der hochdynamischen Natur von Siedeprozessen und der zahlreichen involvierten Phänomene, die in komplexer Weise miteinender interagieren, steht eine geschlossene theoretische Beschreibung noch aus. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zum grundlegenden Verständnis des Blasensiedens beizutragen. Kernstück des Versuchsaufbaus ist eine Edelstahl-Heizfolie mit einer Dicke von 20 µm. In der Oberseite der Heizfolie ist zentrisch eine einzelne, künstliche Keimstelle elektrolytisch erzeugt worden. Die Heizfolie umschließt eine kubische Siedezelle, gefüllt mit dem Arbeitsmedium FC-72. Die Sättigungsbedingungen (Druck und Temperatur) in der Siedezelle eingestellt und gemessen werden. Die Temperaturverteilung der Heizfolie im Bereich der Keimstelle wurde mittels Infrarot-Thermographie bei hoher zeitlicher (1000 Hz) und räumlicher (30 µm/pixel) Auflösung von der Unterseite aus gemessen. Die Größe und das Verhalten der Dampfblasen wurden mit einer zur Infrarotkamera synchronisierten Hochgeschwindigkeitskamera erfasst. Die Experimente wurden während Parabelflügen durchgeführt. Grund dafür war zum einen die Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Auflösung, da die Blasen unter reduzierter Schwerkraft später und größer ablösen. Zum anderen können Effekte sichtbar werden, die normalerweise durch natürliche Konvektion, welche in Schwerelosigkeit nicht-existent ist, überlagert werden. Weiterhin wurde die Einbindung der Gravitation in einigen empirischen Korrelationen überprüft, indem das gesamte Gravitationsspektrum eines Parabelfluges von 1.6g bis 0g zur Messung genutzt wurde. Zur Versuchsdurchführung wurde zunächst in Phasen mit normaler oder erhöhter Gravitation meist ein kontinuierlicher Siedeprozess an der einzelnen, künstlichen Keimstelle, oder alternativ ausgeprägtes Blasensieden auf der ganzen Heizfolie etabliert. Die Messsequenz mit einer Dauer von 4 s wurde während des Übergangs von der Hypergravitation (1.6g) in die Mikrogravitation oder erst in der Mikrogravitationsphase selbst ausgelöst. Der Einfluss der Gravitation auf Blasenfrequenz und Abreißdurchmesser wurde untersucht und mit gängigen empirischen Korrelationen verglichen. Obwohl einige Korrelationen den Schwerkraft-Einfluss für den gegebenen Siedeprozess korrekt abbilden, zeigten sich bei diesen Korrelationen erhebliche Abweichungen zu den Messwerten. Für den Abreißdurchmesser wurde eine neue Korrelation entwickelt, die, wie die wohlbekannte Fritz’ Korrelation, auf dem Kräftegleichgewicht zwischen ablösend wirkendem Auftrieb und anhaftend wirkender Oberflächenspannung beruht. Die neue Korrelation basiert rein auf theoretischen Überlegungen, ohne die Einbeziehung eines empirischen Faktors. Trotzdem zeigte sich eine außerordentlich gute quantitative Übereinstimmung mit den Messwerten. Weiterhin wurde eine neue Blasenfrequenz-Korrelation, basierend auf der Korrelation von Mikic und Rohsenow, vorgeschlagen. Die transiente Verteilung der Heizfolien-Temperatur und der Wärmestromdichte in das Fluid wurde untersucht. Die Verteilung der Wärmestromdichte wurde mithilfe einer instationären Energiebilanz für jedes Pixelelement der Heizfolie berechnet. Bei der Betrachtung der Wärmestromdichtenverteilung zeigte sich ein charakteristisches ringförmiges Maximum, dessen Ursache die hohen Verdampfungsraten in der Nähe der Drei-Phasen-Kontaktlinie am Blasenfuß sind. Der Ring umschließt ein Gebiet, innerhalb dessen praktisch keine Wärme an das Fluid übertragen wird. In dieser Region des adsorbierten, nicht verdampfenden Flüssigkeitsfilms wird Wärme nur konvektiv an den Dampf innerhalb der Blase übertragen. Die Wärmestromdichte in der Region außerhalb des Maximum-Rings wird durch Konvektion und Wärmeleitung an die Flüssigkeit bestimmt und vom beobachteten Siedeprozess praktisch nicht beeinflusst. Sie liegt im Bereich der, durch die elektrische Heizleistung erzeugten, Wärmestromdichte. Die Wärmeströme in diesen drei Regionen wurden zusammen mit dem latenten Wärmestrom herangezogen, um die Gewichtung verschiedener Wärmestrompfade während eines Blasenzyklus zu evaluieren und mit Ergebnissen von numerischen Simulationen zu vergleichen. Es wurde eine sehr gute qualitative, aber auch gute quantitative Übereinstimmung gefunden. Als zusätzlicher Stimulus wurde bei einigen Experimenten eine Hochspannungselektrode in Form einer Unterlegscheibe im Abstand von 5 mm über der Heizfolie platziert und mit maximal 10 kV aufgeladen. Ziel der Versuche mit dem elektrischen Feld war die Untersuchung von dessen Wirkung auf die Dampfblasen, unter anderem im Hinblick auf den Ersatz des Auftriebs als ablösende Kraft in Schwerelosigkeit. Nach Aktivierung des Feldes in der Schwerelosigkeit wurde die an der Heizfolie haftende Dampfblase durch das Zentrum der Elektrode gezogen und dadurch abgelöst. Die dielektrophoretische Kraft auf die anhaftenden Blasen wird durch die Elongation der sonst sphärischen Blasenform ausgedrückt. Bei aktiviertem Feld konnte ein zuverlässiger Siedeprozess auch in Schwerelosigkeit etabliert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 30 Apr 2013 08:46
Last Modified: 30 Apr 2013 08:46
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-32614
Referees: Stephan, Prof. Dr.- Peter and Di Marco, Prof. Paolo
Refereed: 8 December 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3261
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