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Microlayer and Contact Line Evaporation during the Dewetting of a Volatile Liquid on a Superheated Solid

Schweikert, Kai (2022):
Microlayer and Contact Line Evaporation during the Dewetting of a Volatile Liquid on a Superheated Solid. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019859,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Microlayer and Contact Line Evaporation during the Dewetting of a Volatile Liquid on a Superheated Solid
Language: English
Abstract:

Evaporating thin liquid films, so called microlayers, are of particular importance to two phase heat transfer processes, such as pool boiling or boiling in microchannels. The microlayer can form between wall and growing or moving vapor bubble, elevating heat flux due to its evaporation, and contributing to overall bubble growth. However, a microlayer is not always observed. In this case, heat flux is found to concentrate near the three-phase contact line - the location where solid, liquid, and vapor meet.

Many aspects of microlayer formation and evaporation are not sufficiently understood, which limits the modeling and design of boiling applications. For instance, the physical parameters contributing to the formation process and the local heat flux largely remain unclear. Previous studies have indicated a complex interaction between the microscopic processes at the contact line, the wall material, the fluid properties, the wall superheat, and the dewetting velocity. Addressing the individual influence of these parameters directly within a boiling application, however, is rather difficult, as they are coupled in a boiling scenario. Therefore, generic experiments, in which these parameters are decoupled, are carried out in this thesis to investigate the formation and evaporation process of the microlayer on a fundamental level.

The dip-coating geometry, where a sample is vertically withdrawn from a stationary pool of liquid, is chosen as a basis for the experimental facility. This widely used method is adapted for the use of infrared thermography, with which the temperature at the solid/liquid interface is determined during the dewetting procedure. The experimental set-up is presented and an infrared calibration method, which accounts for the movement of the sample, is developed. The local heat flux is obtained from inverse numerical simulation.

The experimental results indicate that microlayer formation occurs at a critical dewetting velocity, which increases with the wall superheat. Both quantities are thereby linked by the evaporation near the contact line. Correlations for this regime boundary are presented and compared with analytical descriptions from literature to illuminate the mechanism responsible for the regime transition. Heat flux near the contact line and across the microlayer is analyzed in detail. The total heat flux dramatically increases, when a microlayer is formed. The local heat flux across the microlayer is shown to be linked to the thermal boundary layer in the solid substrate. An analytical description for the local heat flux is presented, from which an expression for the length of the microlayer is deduced. Good agreement to the experimental measurements is found in both cases.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Verdampfende dünne Flüssigkeitsfilme, sogenannte Dünnfilme, sind von besonderer Bedeutung für Zweiphasen-Wärmeübertragungsprozesse, zum Beispiel für das Sieden. Bildet sich ein Dünnfilm zwischen Wand und wachsender, bzw. sich bewegender Dampfblase, so kann dessen Verdampfung den Wärmestrom stark erhöhen und signifikant zum Blasenwachstum beitragen. Ein Dünnfilm wird jedoch nicht immer beobachtet. Fehlt ein Dünnfilm, dann konzentriert sich der Wärmestrom vorwiegend nahe der Dreiphasen-Kontaktlinie - der Stelle, an der Feststoff, Flüssigkeit und Dampf aufeinandertreffen. Dieser Verdampfungsmodus ist daher als Kontaktlinienverdampfung bekannt.

Viele Aspekte der Dünnfilm- und Kontaktlinienverdampfung sind bisher nur unzureichend verstanden, was die Modellierung und Auslegung von Siedeanwendungen erschwert. Hierzu zählen besonders die genauen physikalischen Zusammenhänge, die für die Entstehung des Dünnfilms und die Beschreibung des lokalen Wärmestroms von Bedeutung sind. Bisherige Studien deuten auf eine komplexe Wechselwirkung zwischen den mikroskopischen Prozessen an der Kontaktlinie, den Fluid- und Wandeigenschaften, der Wandüberhitzung und der Entnetzungsgeschwindigkeit hin. Die genaue Untersuchung der einzelnen Einflussparameter direkt in einer Siedeanwendung ist jedoch nur begrenzt möglich, da sie im Siedeprozess gekoppelt sind. In dieser Arbeit werden die Einflussparameter daher mithilfe generischer Experimente entkoppelt und der Entstehungs- und Verdampfungsprozess des Dünnfilms so grundlegend untersucht.

Der entwickelte Versuchsaufbau basiert auf einer Probe, die vertikal aus einer stationären Flüssigkeit herausgezogen wird. Der Einsatz von Infrarot-Thermografie wird ermöglicht, um die lokale Temperatur an der Fest-/Flüssig-Grenzfläche während des Entnetzungsvorganges zu bestimmen. Der Versuchsaufbau wird vorgestellt und eine Infrarot-Kalibriermethode entwickelt, in der die Bewegung der Probe berücksichtigt wird. Die Ermittlung des lokalen Wärmestroms erfolgt mittels inverser numerischer Simulationen.

Die präsentierten experimentellen Ergebnisse zeigen, dass ein Dünnfilm erst oberhalb einer kritischen Entnetzungsgeschwindigkeit, die mit der Wandüberhitzung zunimmt, entsteht. Beide Größen sind dabei über die Verdampfung nahe der Kontaktlinie gekoppelt. Korrelationen für die Regimegrenze werden abgeleitet und mit analytischen Beschreibungen aus der Literatur verglichen, um den für den Regimewechsel verantwortlichen Mechanismus näher zu untersuchen. Der Wärmestrom nahe der Kontaktlinie und im Bereich des Dünnfilms wird im Detail analysiert. Der insgesamt übertragene Wärmestrom steigt drastisch an, sobald ein Dünnfilm entsteht. Es wird gezeigt, dass der lokale Wärmestrom im Bereich des Dünnfilms mit der thermischen Grenzschicht im Feststoff gekoppelt ist. Der lokale Wärmestrom wird analytisch beschrieben und ein Ausdruck für die Dünnfilmlänge abgeleitet. In beiden Fällen zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 128 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
TU-Projects: DFG|SFB1194|TP A01 Stephan
Date Deposited: 12 May 2022 12:10
Last Modified: 12 May 2022 12:10
DOI: 10.26083/tuprints-00019859
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-198599
Referees: Stephan, Prof. Dr. Peter ; Di Marco, Prof. Dr. Paolo
Date of oral examination: 26 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19859
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