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Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Verdampfung in Mikrokanälen

Leube, Felix Konradin (2019):
Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Verdampfung in Mikrokanälen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009135,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Verdampfung in Mikrokanälen
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der numerischen und experimentellen Untersuchung von Mikrokanalverdampfern für die Dampferzeugung in Laboranwendungen. Die in diesen Apparaten auftretenden Zweiphasenströmungen zeichnen sich üblicherweise durch kleine Reynoldszahlen und sehr niedrige Bondzahlen aus, wodurch diese Strömungen vornehmlich von viskoser Reibung und Oberflächenkräften dominiert werden. Weiterhin durchläuft der Dampfanteil bei der Erzeugung von überhitztem Dampf das gesamte Zweiphasengebiet, wodurch nacheinander unterschiedlichen Strömungsformen auftreten können. Ein im Gegensatz hierzu bereits ausgiebig untersuchtes Einsatzgebiet von Mikrokanalverdampfern liegt dagegen im Bereich der Kühlung von elektronischen Hochleistungsbauteilen. Um eine maximale Wärmeübertragung zu erzielen, werden derartige Verdampfer üblicherweise bei deutlich höheren Reynoldszahlen betrieben, wobei meist nur ein geringer Anteil des Fluids verdampft. Deshalb ergeben sich im Bereich der Dampferzeugung phänomenologische Unterschiede zu den bisher untersuchten Anwendungsfeldern.

Anhand theoretischer Überlegungen kann gezeigt werden, dass bei den in dieser Arbeit untersuchten Mikrokanalverdampfern vor allem die laminare Ringströmung eine wichtige Rolle einnimmt, was vor allem durch die niedrigen Reynoldszahlen und die mitunter sehr hohen volumetrischen Dampfanteile in der Strömung bedingt wird. Für die Beschreibung dieses Strömungsregimes, dem bislang kaum Bedeutung beigemessen wurde, wird daher eine neue geschlossene analytische Lösung entwickelt. Über dieses analytische Modell lassen sich die Phasenverteilung, die Filmdicke und der Druckverlust in idealen laminaren Ringströmungen exakt beschreiben.

Bislang finden sich kaum Arbeiten, in denen das grundsätzliche Betriebsverhalten von Mikrokanaldampferzeugern hinsichtlich Druckverlust und Wärmeübertragungsleistung im Bereich der Vollverdampfung untersucht wurde. Anhand experimenteller Untersuchungen wird daher in dieser Arbeit zunächst das Betriebsverhalten von elektrisch beheizten Verdampfern untersucht, die aus einer Vielzahl paralleler Mikrokanäle mit Nenndurchmessern zwischen 30 und 120 μm bestehen. Sowohl im Bereich der Teil- als auch im Bereich der Vollverdampfung treten hierbei verbreitet langperiodische Oszillationen des Druckverlusts, des Durchflusses und der Temperaturen auf. Es kann gezeigt werden, dass diese Schwankungen jeweils durch den Aufbau der Flüssigkeitszufuhr bedingt werden und sich erheblich reduzieren lassen, indem gezielt Kompressibilitäten in der Flüssigzuleitung vermieden werden. Weiterhin lässt sich beobachten, dass die Oszillationen mit zunehmendem Kanaldurchmesser zunehmen.

Um ein tiefergehendes Verständnis über das Zusammenspiel der in derartigen Mikrokanalverdampfern auftretenden Phänomene zu erhalten, ist es nötig, diese über eine Modellierung des Gesamtsystems zu beschreiben. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit mithilfe der Finite-Volumen-Methode ein umfangreiches dynamisches Simulationsprogramm entwickelt, das die eindimensional formulierten Massen-, Impuls- und Energiebilanzen des Fluids mit einem dreidimensionalen Wärmeleitungsmodell im Festkörper kombiniert. Auf diese Weise kann das komplexe Zusammenspiel von Durchfluss und Druckverlust sowie von Wärmeübergang und Wärmeleitung im Festkörper untersucht werden. Auf Grund sich lokal stark ändernder Stoffeigenschaften führt dieser Ansatz nicht immer zu konvergenten Lösungen. Daher wurde zusätzlich ein vereinfachtes, stationäres Verdampfermodell entwickelt, das sich auch für umfangreiche Parameterstudien einsetzen lässt. Ein Kernergebnis dieser Parameterstudien ist, dass sich die Verdampfungskapazität bei gleicher Wärmeübertragungsfläche erheblich steigern lässt, indem anstelle des bisher verwendeten Designs, eine höherer Anzahl entsprechend kürzerer Kanäle eingesetzt wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This study is focussed on the numerical and experimental investigation of microchannel evaporators. A special emphasis is placed on those evaporators used for vapor generation in laboratory aplications. The two phase flows occuring in these devices are typically characterized by low Reynolds numbers and very low Bond numbers. Therefore, these two-phase flows are predominantly affected by viscous friction and surface tension. Furthermore, when superheated vapor is generated, the vapor fraction of the fluid passes through the entire two-phase region. Therefore several different flow regimes can appear successively here. In contrast, a field of application for microchannel evaporators, which has already been studied extensively, is the field of high-performance electronic cooling. In order to enable maximum heat removal, those chip-cooling evaporators are usually operated at higher Reynolds numbers. Therefore only a significantly lower fraction of the fluid is typically evaporated here. Consequently, phenomenological differences can be found in these cooling applications compared to the field of vapor generation. Based on theoretical considerations, it can be shown that especially laminar annular flow plays an important role in the behavior of the microchannel evaporators which are investigated in the present study. This is mainly due to the low reynolds numbers and the relatively high vapor fractions. So far, this flow regime has not been given a lot of attention. For this reason, a novel closed solution for ideal annular laminar flow is derived in this work. From this model, analytical relations for the phase distribution, the film thickness and the pressure drop can be derived. Up to now, there are hardly any studies in which the basic operating behavior of microchannel vapor generators is investigated regarding pressure drop and heat transfer performance during full evaporation. Based on experimental investigations, the operating behavior of electically heated evaporators, consisting of parallel microchannels with nominal diameters between 30 and 120 μm, is examined. During both, partial and full evaporation of the fluid, long-period oscillations of pressure drop, mass flow and temperature can be observed. It can be shown, that these fluctuations are mainly influenced by the fluidic setup of the experimental system. They can be significantly reduced by avoiding any upstream compressibility in the liquid feed line. Furthermore, it can be observed that osciallations tend to increase with increasing channel diameter. In order to gain a deeper understanding of the interaction of the phenomena occurring in such microchannel evaporators, it is necessary to describe them by modeling the overall system. Therefore, in this work, a comprehensive dynamic simulation tool is developed which is based on the finite volume method. It combines the one dimensional mass, momentum and energy balances of the fluid phase with a three dimensional heat conduction model for the solid phase. This way the complex interplay of fluid flow, pressure drop, heat transfer and heat conduction in the solid region can be investigated. However, due to sudden changes in the fluid properties during evaporation, this approach does not allways lead to convergent solutions. Therefore, an additional simplified, steady state single channel model is presented. This simplified model can be used for comprehensive parameter studies in a broad range of parameters. A key result of these parametric studies is that the capacity of microchannel evaporators can be significantly increased by using a higher number of correspondingly shorter channels without changing the effective heat transfer area.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
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) > Boiling & Exaporation
Date Deposited: 10 Dec 2019 14:21
Last Modified: 09 Jul 2020 02:46
DOI: 10.25534/tuprints-00009135
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-91352
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter and Drese, Prof. Dr. Klaus Stefan and Hardt, Prof. Dr. Steffen
Refereed: 16 October 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9135
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