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Experimental Investigation of Single Bubbles and Bubble Interactions in Nucleate Boiling

Sielaff, Axel :
Experimental Investigation of Single Bubbles and Bubble Interactions in Nucleate Boiling.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimental Investigation of Single Bubbles and Bubble Interactions in Nucleate Boiling
Language: English
Abstract:

Boiling processes are widely used in technical applications. The chemical industry, power plant technology, and refrigeration engineering are just a few examples. Intensive research on pool boiling processes has been undertaken for decades. Nevertheless, the physical phenomena are still not sufficiently understood. This is mainly caused by the large number of influencing factors and the wide range of length and time scales boiling processes act on.

Especially through the research on small length scales a better understanding of the underlying physical phenomena should be achieved. The subject of the present thesis is the experimental investigation of boiling processes with single bubbles and bubble interactions. In a further step, the reliability of the results obtained for a few interacting bubbles is tested on a technical length scale.

Within the framework of this thesis an experimental setup is designed and fabricated. By use of optical measurement methods (black/white and infrared) the shape of the bubbles and the temperature close to the heater surface are measured simultaneously. Within the experimental setup and method emphasis is put on the validity of the obtained data (especially the infrared measurements). The test setup is based on a thin stainless steel foil used as a Joule heater. The working fluid is FC-72. Almost all experiments are performed at subatmospheric pressure.

In this thesis general results for boiling experiments with single bubbles, for example concerning the departure diameter and frequency, are presented. It is observed that for single bubbles a thin liquid layer can remain underneath a bubble after nucleation. By comparing bubble growth with and without this layer a first statement of the validity of the contact line and microlayer model is achieved. Experiments with bubbles coalescing show a clear dependency of the coalescence frequency on the system pressure, partly following a probability distribution. In comparison of a case with and without bubble coalescence an increased heat transfer is found for the coalescence case. This effect is mainly caused by hydrodynamic phenomena and sometimes also by the formation of residual droplets inside large bubbles. It is shown that the effects observed for the coalescence of two bubbles is not transferable to global boiling processes. With the help of a Monte-Carlo simulation these phenomena can be explained by different coalescence behavior. The experimental results furthermore give a possible explanation for the deviations between experimental and analytic bubble departure diameters due to the dynamic effects during bubble nucleation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In sehr vielen technischen Prozessen finden Siedeprozesse Anwendung. Die chemische Industrie, Energie- und Kraftwerkstechnik sowie die Kältetechnik seien dabei nur einige Beispiele. Die zu Grunde liegenden physikalischen Prozesse sind, trotz jahrzehntelanger Forschung, bisher nicht ausreichend verstanden. Als Begründung dafür sind hauptsächlich die große Anzahl an relevanten Einflussparametern und die unterschiedlichen Längenskalen, die den Siedeprozess beeinflussen, zu nennen. Durch Untersuchungen auf kleinen Längenskalen sollen die grundlegenden physikalischen Phänomene besser verstanden werden. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung an einzelnen Blasen sowie der Interaktion mehrerer Blasen. Darüber hinaus wird untersucht in wieweit sich die erzielten Ergebnisse der Interaktion einzelner Blasen auf technische Siedeprozesse übertragen lassen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Versuchsstand konstruiert und aufgebaut. Mittels optischer Messtechnik (schwarz/weiß und infrarot) ist die simultane Erfassung der Blasenform sowie des Temperaturfeldes in der Nähe der Heizeroberfläche möglich. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Zuverlässigkeit der Anlage und der verwendeten Auswertungsverfahren. Diesbezüglich ist vor allem die Untersuchung der Einflussfaktoren und deren Auswirkung bei der Nutzung der Infrarotthermografie zu nennen. Den Kern des Versuchsstandes bildet eine dünne Edelstahlfolie, die elektrisch beheizt wird. Als Versuchsfluid wird FC-72 verwendet. Die durchgeführten Experimente werden fast ausschließlich bei Unterdruck durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse grundlegender Untersuchungen zum Sieden an Einzelblasen, wie z.B. des Blasenabreißdurchmessers und der -frequenz vorgestellt. Darüber hinaus kann beobachtet werden, dass für das Sieden einzelner Blasen ein dünner Flüssigkeitsfilm nach der Nukleation unter der Blase zurückbleiben kann. Ein Vergleich von Blasen mit und ohne Flüssigkeitsfilm ermöglicht eine erste Aussage zur Gültigkeit der Modelle der Kontaktlinien- und Dünnfilmverdampfung. In den Untersuchungen zur Blasenkoaleszenz ist eine Abhängigkeit der Koaleszenzfrequenz bezüglich des Systemdrucks festzustellen. Für bestimmte Drücke folgt diese Abhängigkeit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die Analyse der Wärmestromdichteprofile für vorliegende Blasenkoaleszenz ergibt eine Erhöhung des Wärmestroms gegenüber der Situation ohne Blasenkoaleszenz. Dieses ist maßgleich in einer veränderten Hydrodynamik und einem möglichen Zurückbleiben eines Tropfens innerhalb der Blase begründet. Weiter wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse, die anhand weniger interagierender Blasen erzielt wurden, auf technische Siedeprozesse untersucht. Die Phänomene, die bei der Untersuchung an einzelnen Blasen festgestellt worden sind, können nicht reproduziert werden. Unter Verwendung einer Monte-Carlo Simulation, lassen sich diese Unterschiede auf ein unterschiedliches Koaleszenzverhalten zurückführen. Mittels der experimentellen Ergebnisse wird eine mögliche Erklärung für die häufige Abweichung zwischen analytischen und experimentellen Blasenabreißdurchmessern vorgestellt. Die Erklärung beruht auf den dynamischen Effekten bei der Nukleation einzelner Blasen.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: pool boiling, bubble coalescence, boiling model, contactline evaporation, microlayer evaporation
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 06 Jun 2014 08:23
Last Modified: 06 Jun 2014 08:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37039
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Luke, Prof. Dr. Andrea
Refereed: 12 February 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3703
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