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Numerical Simulation of Pool Boiling from Reentrant Type Structured Surfaces

Dietl, Jochen :
Numerical Simulation of Pool Boiling from Reentrant Type Structured Surfaces.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Simulation of Pool Boiling from Reentrant Type Structured Surfaces
Language: English
Abstract:

Enhancement of heat transfer in pool boiling can be achieved by employing a structured surface. So called reentrant type surfaces, consisting of subsurface tunnels connected through pores with the pool, were found to strongly improve the performance of heat exchanger tubes. Although employed since decades, several of the processes within the tunnel are not understood and the presented models are not able to predict the different boiling modes. With the rapid development of numerical methods in the last years, the simulation of boiling is possible by today, allowing to study the processes with high temporal and spatial resolution.

In the presented thesis, numerical simulations of boiling from reentrant type structured surfaces are performed. Processes are studied at single reentrant cavities and at a piece of subsurface tunnel with two pores. The dimensions and shapes of the cavity, tunnel, and pore are varied to obtain the influence of geometric properties on the process. Furthermore, a simplified model is created to calculate flow into the subsurface tunnel with reduced computational effort, in order to study a wider parameter range.

The employed numerical model is based on the VOF method and was validated in earlier works. In this work, the solver is adapted to work with capillary flows at low contact angles. The simplified model is based on solving the Young-Laplace equation to obtain the pressure jump at the bubble and the liquid film inside the structure. With the pressure differences the evolution of the liquid film during bubble growth and departure can be predicted. The results for the amount of liquid in the tunnel obtained from the numerical simulation and the simplified model are in good agreement. The results of the simulations show that with single reentrant cavities obtaining thin film evaporation inside the cavity is difficult if only one pore exists at each cavity. Introducing an additional channel next to the pore, connecting the liquid pool with the liquid film, similar processes can be observed inside the cavity as observed with subsurface tunnels. Simulations with the section of the subsurface tunnel indicate a strong dependence of the processes on pore size but also pore shape. With the given geometry, very high heat transfer coefficients are obtained, caused by the evaporation of the thin liquid films inside the structure.

From the parameter study with the simplified model, the influence of geometric properties on the operation range of the surface can be deduced. Furthermore, the model gives characteristic dimensionless parameters governing the process. Small bubble diameters as well as wide and deep tunnels are beneficial to prevent flooding of the structures. The point of dryout is delayed with a large open pore area. The introduction of two additional sub-stages of the boiling modes is suggested, namely the vapor expansion stage and the partial dryout stage, which should be considered in future modeling approaches.

In summary, numerical simulations and analysis of the boiling process from structured surfaces performed in this work, improve the understanding of the interrelations of important parameters and lead to suggestions regarding the design of the surfaces and modeling of the heat transfer.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Durch die Verwendung von strukturierten Oberflächen ist es möglich, den Wärmeübergang beim Blasensieden zu verbessern. Hinterschnittene Oberflächen, bestehend aus Kanälen, die über Poren mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden sind, haben sich dabei im Einsatz auf Wärmeübertragerrohren bewährt. Obwohl sich diese Strukturen seit Jahrzehnten im Einsatz befinden, sind einige Zusammenhänge noch nicht verstanden und vorhandene Modelle nicht in der Lage den Siedeprozess vorherzusagen. Durch die schnelle Entwicklung numerischer Methoden ist es heute möglich, Siedeprozesse zu simulieren und diese damit mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit werden numerische Simulationen des Siedens an hinterschnittenen Oberflächen durchgeführt. Es werden die Prozesse in einzelnen Kavitäten sowie in einem Kanalausschnitt betrachtet. Die Form und Größe der Kavität, des Kanals und der Pore werden variiert, um den Einfluss der Geometrie auf den Prozess zu untersuchen. Weiterhin wird ein vereinfachtes Modell entwickelt, um die Strömung in den Kanal mit reduziertem Aufwand berechnen und eine größere Anzahl an Parameterkombinationen betrachten zu können. Der verwendete Strömungslöser wurde bereits in vorangegangenen Arbeiten validiert und hier angepasst zur Berechnung kapillarer Strömungen bei kleinen Kontaktwinkeln. Das vereinfachte Modell basiert auf der Lösung der Young-Laplace Gleichung, um den Drucksprung an den Phasengrenzen zu erhalten. Mithilfe der Druckdifferenzen kann der Zusammenhang zwischen Blasenwachstum und Entwicklung des Filmvolumens berechnet werden. Bei der Vorhersage des Filmvolumens im Kanal zeigen die numerische Simulation und das vereinfachte Modell eine gute Übereinstimmung. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass es schwierig ist, mit isolierten Kavitäten mit einer einzigen Pore stabile Flüssigkeitsfilme in der Kavität zu erhalten. Mit einer zusätzlichen Verbindung zwischen Flüssigkeitsfilm und Flüssigkeitsbehälter ist es dagegen möglich, ähnliche Siedeprozesse in der Kavität zu beobachten, wie sie an Kanälen mit Poren auftreten. Die Ergebnisse der Simulation mit dem Kanalausschnitt deuten auf einen großen Einfluss der Porengröße und Porenform auf den Betriebszustand hin. Durch die Verdampfung dünner Flüssigkeitsfilme in der Struktur erhält man sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten für die eingesetzten Geometrien. Die Parameterstudie unter Verwendung des vereinfachten Modells erlaubt die Untersuchung des Einflusses geometrischer Größen auf den Betriebsbereich. Basierend auf dem Modell können außerdem charakteristische dimensionslose Größen abgeleitet werden, die den Siedeprozess bestimmen. Kleine Blasen zusammen mit tiefen und breiten Kanälen verhindern ein Fluten der Struktur. Das Austrocknen der Struktur kann mit großen offenen Porenflächen vermieden werden. Es wird vorgeschlagen zwei zusätzliche Betriebszustände in zukünftigen Modellierungsansätzen zu berücksichtigen, welche das partielle Fluten und das partielle Austrocknen der Struktur abbilden. In dieser Arbeit wurden numerische Simulationen und eine Analyse des Siedeprozesses an strukturierten Oberflächen durchgeführt. Beides fördert das Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Parametern und führt zu Empfehlungen in Bezug auf die Gestaltung der Struktur und der Modellierung des Wärmetransportes.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: boiling, reentrant, numerical simulation, CFD, enhancement, tubes, heat transfer
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Sieden, Simulation, Rohre, hinterschnitten, WärmeübergangGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 22 Jul 2015 08:00
Last Modified: 22 Jul 2015 08:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46535
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Janicka, Prof. Dr. Johannes
Refereed: 2 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4653
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