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Untersuchung der Verdampfung aus strukturierten Oberflächen in Reinstoffatmosphäre

Crößmann, Felix :
Untersuchung der Verdampfung aus strukturierten Oberflächen in Reinstoffatmosphäre.
[Online-Edition]
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung der Verdampfung aus strukturierten Oberflächen in Reinstoffatmosphäre
Language: German
Abstract:

Unser Alltag ist geprägt durch eine Vielzahl elektronischer Geräte, welche stetig kleiner und leistungsfähiger werden. Verbunden mit der zunehmenden Leistungsdichte ist der wachsende Bedarf an effizienten Wärmeübertragungstechniken zur Fortsetzung dieser Entwicklung. Für die Übertragung hoher Wärmestromdichten hat sich in den letzten Jahren zunehmend der Verdampfungsprozess etabliert, welcher die hohe, an den Phasenwechsel gebundene Energiemenge ausnutzt. Ein Anwendungsbeispiel dieses Prozesses ist das Wärmerohr, welches bereits heute standardmäßig in Notebooks zur Kühlung der Prozessoren genutzt wird, wobei die derzeit größte Limitierung zur Steigerung des übertragbaren Wärmestroms der Wärmeübergang innerhalb des Verdampfers ist. Wie durch die Arbeiten zahlreicher Autoren belegt, ist dieser Wärmeübergang maßgeblich durch den Bereich des dünnen Flüssigkeitsfilms in Wandnähe geprägt. Stephan und Busse nennen diesen Bereich Mikrozone und beziffern den darin übertragenen Wärmestrom auf bis zu 45% der insgesamt zugeführten Wärmemenge. Aufbauend auf diesen Ergebnissen entwickelte Brandt für den Einsatz in Wärmerohren das Konzept der Hochleistungskapillarstruktur, welches die Maximierung des Bereichs der Mikrozone durch die Erweiterung der Oberfläche mit Mikrokanälen vorsieht. So war es Brandt möglich den Wärmedurchgangskoeffizienten um das 3,3-fache zu steigern. Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung des Einflusses der Wärmestromdichte, der Sättigungstemperatur, des Kältemittels, der Oberflächentopografie des Verdampfers sowie der Menge der im System befindlichen nichtkondensierbaren Gase auf den Wärmetransport bei der Verdampfung für den Bereich des stillen Siedens. Zur Durchführung der dafür erforderlichen Experimente wurde ein Versuchsaufbau konzipiert und realisiert, welcher die Untersuchung von fünf verschiedenen Verdampferoberflächen bei Variation dieser Parameter ermöglicht. Novum dieser Arbeit sind die getrennte Untersuchung des Einflusses zweier der die Verdampferoberfläche charakterisierenden Parameter – Größe der Phasengrenzfläche und Länge der 3-Phasen Kontaktlinie – auf den Wärmeübergang sowie die Bestimmung der Fernfeldtemperatur durch Messung des Systemdrucks. Der numerische Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines Modells zur Untersuchung des Einflusses der im Experiment nicht quantifizierbaren Parameter auf den Wärmeübergang. Dies sind die Geometrie des Übergangs zwischen Wand und dem Bereich des dünnen Flüssigkeitsfilms, die Krümmung der Phasengrenze und der Wert des Kondensationskoeffizienten. Des Weiteren ermöglicht das Modell die detaillierte Untersuchung des experimentell bestimmten globalen Wärmeübergangs hinsichtlich des Verhältnisses des im Bereich der Mikrozone sowie über die Phasengrenzfläche des makroskopischen Flüssigkeitsfilms übertragenen Wärmestroms. Basierend auf den Ergebnissen der durchgeführten Experimente können folgende Aussagen bezüglich des Wärmeübergangs durch Vergleich der Wärmedurchgangskoeffizienten getroffen werden: Der Wärmedurchgangskoeffizient ist am größten bei minimaler Wandüberhitzung bzw. minimaler zugeführter Wärmestromdichte und nimmt bis zum Einsetzen des Blasensiedens stetig ab, wobei diese Abnahme nicht linear ist. Wird die Sättigungstemperatur bei konstanter Wärmestromdichte erhöht, so führt dies zu einem Anstieg des Wärmedurchgangskoeffizienten und der Zunahme des maximal übertragbaren Wärmestroms, wobei beides nahezu unabhängig von der Oberflächentopografie des Verdampfers ist. Ebenfalls steigt der Wärmedurchgangskoeffizient bei Verlängerung der 3-Phasen Kontaktlinie sowie Vergrößerung der Phasengrenzfläche an, jedoch ist diese Zunahme nicht linear und bei der Verlängerung der Kontaktlinie stärker ausgeprägt. Ein weiteres zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist, dass bereits geringste Mengen im System befindlicher nichtkondensierbarer Gase zu einer signifikanten Abnahme des Wärmedurchgangskoeffizienten führen. Zudem deuten die Ergebnisse der Untersuchung auf eine direkte Beeinflussung des Verdampfungsprozesses durch diese Gase hin, was in der gesichteten Literatur bis dato noch nicht beschrieben wurde. Die Resultate des numerischen Modells belegen die Abhängigkeit des Wärmeübergangs von der Höhe des Kondensationskoeffizienten, welcher im Experiment nicht bestimmbar ist und aufgrund unvermeidbarer Verunreinigung in der Größenordnung weniger parts per million deutlich abnimmt, was in einem verringerten Wärmeübergang resultiert. Zudem erlauben die Ergebnisse der numerischen Simulation die Quantifizierung des Wärmestromverhältnisses zwischen Mikrozone und makroskopischer Phasengrenze. Dies ermöglicht die experimentell bestimmten Abhängigkeiten des Wärmeübergangs von der zugeführten Wärmestromdichte, der Sättigungstemperatur und des Kältemittels besser zu verstehen. Mit der vorliegenden Arbeit ist es nun möglich den Wärmetransport über mehrere Längenskalen, ausgehend vom Bereich der Mikrozone bis hin zur makroskopischen Phasengrenze, zu beschreiben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Our daily life is heavily influenced by almost countless electronic devices, which continuously decrease in size while becoming increasingly powerful. In order to continue this development of increasing power density, the demand for efficient techniques of heat transfer increases as well. In recent years, the evaporation process has established itself more and more as the preferred means of transferring high heat flux densities because it uses the large amount of energy connected with the phase change. Indeed, heat pipes, which are routinely built into notebooks to cool processors, are the prime example for the application of this process. However, the biggest obstacle to increase the amount of transferable heat flux lies in the limited potential of heat transfer within the evaporator. As numerous studies by various authors have shown, the area of the thin liquid film close to the wall significantly influences the heat transfer. Stephan and Busse call this area micro region and determine the percentage of heat transferred through this region to be up to 45% of the originally supplied amount of heat. Based on these results, Brandt developed the concept of an advanced capillary structure, which could be used in heat pipes to maximize the area of the micro region by enlarging the surface through microchannels. As a result, Brandt was able to increase the heat transfer coefficient by 330%. The objective of this study is the description of the respective influence of the heat flux density, the saturation temperature, the refrigerant, the surface topography of the evaporator, and the amount of non-condensable gas inside the system on the heat transfer during natural convection. In order to conduct all necessary experiments, an experimental set-up was designed and put into operation, which allows the study of five different surfaces of evaporators while varying the aforementioned parameters. The separate study of two parameters descriptive of the evaporator surface, i.e. the size of the interface and the length of the three phase contact line, and their influence on the heat transfer as well as the definition of the temperature of the far field by means of measuring the system pressure are novelties in this thesis. The numerical part of this study covers the development of a model to examine the influence of those parameters on the heat transfer that cannot be quantified in the experiment. These are the geometry of the transition between the wall and the area of thin liquid film, the curvature of the interface, and the value of the condensation coefficient. Further, using the model renders possible a detailed investigation of the experimentally determined global heat transfer, as it allows the analysis of the relationships between the total heat flux density and the heat flux density transferred through the micro region and the interface of the macroscopic liquid meniscus. Comparing the heat transfer coefficients, the following conclusions concerning the heat transfer can be drawn based on the results of the experiments conducted: With minimal wall superheat and minimally applied heat flux density, the heat transfer coefficient reaches its maximum, which continuously decreases, even if not linearly, until nucleate boiling occurs. When the saturation temperature is increased while the heat flux density is constant, both the heat transfer coefficient and the maximally transferable heat flux increase as well, even though both are virtually independent from the topography of the surface of the evaporator. The heat transfer coefficient also increases when the three phase contact line is extended and / or the interface is expanded. However, this increase is not linear and more pronounced when the three phase contact line is extended. Discovering that even the occurrence of a minimal amount of non-condensable gases in the system will lead to a significant change in heat transfer coefficient is another salient result of this study. The findings of the experiment further indicate that these gases directly influence the process of evaporation, which at the time of publication has never been described in the literature before. The results of the numerical model prove that heat transfer depends on the value of the condensation coefficient. In fact, the condensation coefficient cannot be determined through the experiment, in which it drastically decreases due to inevitable contamination of a few parts per million, which in turn results in lesser heat transfer. Furthermore, using the numerical simulation, the heat flux ratio between micro zone and macroscopic interface can be quantified. Hence, the dependencies of heat transfer on the applied heat flux density, saturation temperature, and refrigerants respectively – which have been determined through the experiment – can be better understood using the numerical model. With this work it is now possible to describe the heat transport across several length scales starting from the micro region up to macroscopic interface.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Verdampfung, strukturierte Oberfläche, nichtkondensierbare Gase, Kontaktlinie, Phasengrenzfläche, Mikrozone
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
evaporation, structured surface, noncondensable gas, contact line, microregion, liquid-vapour interfaceEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Interfacial Transport & Complex Wetting
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD) > Boiling & Exaporation
Date Deposited: 20 Jul 2016 07:31
Last Modified: 20 Jul 2016 07:31
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5578
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55780
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Hardt, Prof. Dr. Steffen
Refereed: 13 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5578
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