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Experimental Investigation of Heat Transfer during Evaporation in the Vicinity of Moving Three-Phase Contact Lines

Fischer, Sebastian (2015):
Experimental Investigation of Heat Transfer during Evaporation in the Vicinity of Moving Three-Phase Contact Lines.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimental Investigation of Heat Transfer during Evaporation in the Vicinity of Moving Three-Phase Contact Lines
Language: English

The subject of the present work is heat transfer close to moving three-phase contact lines. The term three-phase contact line designates the area in which the liquid/vapour- or liquid/gas-interface approaches a solid wall. Due to the small thermal resistance of the extremely thin liquid film high heat fluxes are reached within this area. These can have significant influence onto the overall heat transfer process within two-phase systems. Examples of such systems are pool and flow boiling, droplet evaporation during spray cooling applications or heat pipes used for high power electronics cooling. The more the interface approaches to the heated wall, the stronger the influence of intermolecular interactions between wall molecules and those at the liquid/vapour-interface onto the local phase equilibrium becomes. This results in a shift of the equilibrium to higher temperatures, so that local evaporation is entirely inhibited through intermolecular forces at a certain minimum liquid film thickness. A few molecule layers thin liquid film that cannot be evaporated remains on the apparently dry surface. Apart from the wall superheat, the direction of contact line movement and its velocity, as well as the system pressure influence the local heat transfer in the contact line area decisively. While there is some experimental work on the influence of contact line velocity and its movement direction, the influence of system pressure has remained uninvestigated up to date. Aim of this work is therefore a target oriented experimental investigation of the pressure and velocity influence on heat transfer in the proximity of moving three-phase contact lines. Core of the dedicated experiment setup is an infrared transparent heater element, which provides the possibility to measure the temperature fields at the heater/fluid interface with high spatial and temporal resolution using infrared thermography. The heater developed for this purpose consists of an infrared transparent substrate, onto which a two-layer composition of black Chromium Nitride and pure Chromium with an overall thickness of approximately 800 nm is applied through Physical Vapour Deposition. While the black Chromium Nitride layer enhances the surface emissivity and thereby increases the signal-to-noise-ratio of the IR thermography drastically, the pure Chromium is employed as resistance heater to achieve the wall superheat necessary for evaporation. As experiment fluid degassed FC-72 (n-perfluorohexane) is used. Within the experiment setup a single capillary slot with a width of 1.4 mm is created between the infrared transparent heater and a polished copper wall. Liquid rises between the walls of the slot due to capillary forces and forms a single extended meniscus. The system pressure is adjusted through the saturation state of the fluid by variation of the system temperature, while the movement of the meniscus is realized through a volume displacement within the system. Movement of the meniscus results in an advancing or a receding contact line situation at the surface of the IR transparent heater, that influences the local temperature distribution at the heater wall. The temperature distribution on the backside of the Chromium Nitride layer at a distance of less than 1 micrometer away from the heater/fluid-interface is measured with a high speed IR camera at a framerate of 1000 Hz and a resolution of 29.27 micrometer/pixel. The high speed IR camera is synchronized to a high speed black-and-white camera, that allows detection of the liquid/vapour-interface with a resolution of 4 micrometer/pixel. From the temperature fields the local heat flux distribution is calculated numerically with the same spatial and temporal resolution. Experiments were performed at reduced pressures in the range of p_R = 0.05 to p_R = 0.7 and with liquid/vapour-interface velocities of up to v_int = +-40 mm/s. Comparisons to earlier experiments on three-phase contact line heat transfer show, that the results obtained using thin foil heaters are transferable to heaters with substantial larger thermal inertia, like the IR transparent heaters used within this work. Merely the extremely high temperature differences, that are present in proximity of the contact line, are significantly smaller on walls with higher thermal inertia. The conducted experiments clearly show a local heat flux peak in proximity of the contact line, which is accompanied by a local temperature minimum. At increased system pressure and equal wall superheat and contact line velocity, the local heat flux peak at the contact line decreases with increasing pressure. This effect can be attributed to the reduction of latent heat of evaporation with increasing pressure. Considering the influence of the contact line velocity, one must distinguish between advancing and receding contact lines. At a receding contact line and equal reduced pressure and wall superheat, no influence of the contact line velocity onto the local heat flux distribution in proximity of the contact line is discernible. At an advancing contact line on the other hand, an increase of the heat flux maximum at the wall and thereby the heat transfer in proximity of the contact line with increasing contact line velocity is observed. Both the increase of the heat flux maximum with increasing contact line velocity at an advancing contact line and the independence of the maximum heat flux on the contact line velocity at a receding contact line is observed at low and high levels of the reduced pressure. In some experiments with negative meniscus velocity (and therefore receding contact line) it was observed, that a thin, evaporating liquid film can be deposited on the heater surface by the moving liquid/vapour-interface. If and to which extend the thin film is deposited, depends on the wall superheat, the velocity and acceleration of the liquid/vapour-interface, the latent heat of evaporation of the fluid and the wetting characteristics of the heated wall. Furthermore it was observed, that film rupture due to instabilities can occur. If the thin film was present, the contribution of thin film evaporation to the overall heat transfer was dominating compared to the contribution of contact line heat transfer. This makes it necessary to describe the thin film with a model, if it appears during an evaporation process in order to capture the underlying physics correctly. Based on an estimation of the thickness of a liquid film staying behind on a wall drawn out of a quiescent liquid by Landau and Levich, a model for stationary thin film evaporation was developed. It is assumed, that thin film evaporation has no influence onto the initial film thickness, so it can be calculated according to Landau and Levich. Starting from the mass and energy balance at an infinitesimal thin segment of the film, an equation for the film thickness gradient in direction parallel to the wall is derived. By making the equation dimensionless, non-dimensional quantities governing thin film evolution are identified. Comparison of the length of the thin film region calculated using the model to lengths of the thin film region observed in the experiment shows good agreement up to a certain velocity, at which an increasing deviation between theoretical value and experimental data is observed. This deviation is probably caused by the limited length of the IR transparent heater, which does not allow for reaching steady state thin film evaporation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Wärmeübertragung in unmittelbarer Umgebung bewegter Drei-Phasen Kontaktlinien. Als Drei-Phasen Kontaktlinie wird der Bereich bezeichnet, in dem sich die Flüssigkeits/Dampf- oder Flüssigkeits/Gas-Phasengrenze einer Wand annähert. Aufgrund des geringen Wärmewiderstands des enorm dünnen Flüssigkeitsfilms in diesem Bereich werden hier extrem hohe Wärmestromdichten erreicht. Diese können daher einen maßgeblichen Anteil am übertragenen Gesamtwärmestrom innerhalb zweiphasiger Systeme haben. Beispiele solcher Systeme sind unter anderem die Wärmeübertragung mittels Behälter- und Strömungssieden, die Tropfenverdampfung in Sprühkühlungsanwendungen oder aber die Verdampfung in Wärmerohren, welche zur Kühlung elektronischer Hochleistungsbauteile eingesetzt werden. Je dichter sich die Phasengrenze der Heizerwand annähert, umso stärker wird das lokale Phasengleichgewicht durch intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den Wandmolekülen und jenen an der Phasengrenze beeinflusst. Dies führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichtszustandes hin zu höheren Temperaturen, so dass ab einer minimalen Flüssigkeitsfilmdicke die intermolekularen Kräfte die lokale Verdampfung vollständig verhindern. Ein wenige Moleküllagen dünner adsorbierter Flüssigkeitsfilm bleibt auf der scheinbar trockenen Oberfläche, der nicht verdampft werden kann. Neben der Wandüberhitzung haben insbesondere die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit, mit der sich die Kontaktlinie fortbewegt, als auch der Systemdruck einen ausschlaggebenden Einfluss~auf den lokalen Wärmeübergang im Kontaktlinienbereich. Während es bereits einige experimentelle Arbeiten zum Einfluss der Kontaktliniengeschwindigkeit und Bewegungsrichtung gibt, ist der Einfluss des Systemdrucks bislang unerforscht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, den Einfluss des Systemdrucks und der Kontaktliniengeschwindigkeit auf die lokale Wärmeübertragung an bewegten Drei-Phasen Kontaktlinien gezielt zu untersuchen. Kern des hierfür konstruierten Versuchsaufbaus stellt ein infrarot-transparenter Heizer dar, der es ermöglicht, zeitlich und örtlich hoch aufgelöste Temperaturfelder an der Heizer/Fluid-Grenzfläche mittels Infrarot-Thermografie zu messen. Der hierfür entwickelte Heizer besteht aus einem infrarot-transparenten Substrat, auf das ein Zwei-Schichten-System aus schwarzem Chromnitrid und reinem Chrom mit einer Gesamtdicke von ca. 800 nm mittels Physical Vapour Deposition aufgebracht wird. Während die schwarze Chromnitridschicht die Emissivität der Oberfläche erhöht und dadurch das Signal/Rausch-Verhältniss der IR-Thermografie deutlich verbessert, dient die reine Chromschicht als Widerstandsheizer, um die für die Verdampfung notwendige Wandüberhitzung zu erreichen. Als Versuchsfluid wird entgastes FC-72 (n-Perfluorohexan) verwendet. In der Versuchsanlage werden die Wände eines Kapillarspalts mit einer Breite von 1.4 mm von dem infrarot-transparenten Heizer und einer polierten Kupferwand gebildet. Zwischen diesen beiden Wänden steigt das Versuchsfluid aufgrund von Kapillarkräften und bildet einen Einzelmeniskus aus. Durch Variation der Systemtemperatur wird der Systemdruck über den Sättigungszustand des Fluids eingestellt, während die Bewegung des Meniskus mittels einer Volumenverschiebung innerhalb des Systems realisiert wird. Die Meniskusbewegung erzeugt auf der Oberfläche des IR transparenten Heizers eine voranschreitende oder eine zurückschreitende Kontaktlinie, welche die lokale Temperaturverteilung an der Heizerwand beeinflusst. Die Temperaturverteilung auf der Rückseite der Chromnitridschicht, also weniger als 1 micrometer von der Heizer/Fluid-Grenzfläche entfernt, wird mit einer Hochgeschwindigkeits-IR-Kamera mit einer Bildfrequenz von 1000 Hz und einer räumlichen Auflösung von 29.27 micrometer/pixel vermessen. Die Hochgeschwindigkeits-IR-Kamera ist mit einer Hochgeschwindigkeits-Schwarz/Weiß-Kamera synchronisiert, welche die Detektierung der Phasengrenze mit einer räumlichen Auflösung von 4 micrometer/pixel ermöglicht. Aus dem Temperaturfeld wird auf numerischem Weg die lokale Wärmestromdichte mit gleicher zeitlicher und örtlicher Auflösung berechnet. Es wurden Messungen bei reduzierten Drücken im Bereich von p_R = 0.05 bis p_R = 0.7 und bei Geschwindigkeiten der Phasengrenze von bis zu v_int = +-40 mm/s durchgeführt. Im Vergleich mit früheren Experimenten zur Wärmübertragung an Drei-Phasen Kontaktlinien zeigt sich, dass die mithilfe von dünnen Folienheizern gewonnen Erkenntnisse auf Heizer mit deutlich höherer thermischer Kapazität, wie den in dieser Arbeit verwendeten IR transparenten Heizer, übertragbar sind. Lediglich die auf Folienheizern enorm stark ausgeprägten Temperaturdifferenzen, die in der Umgebung der Kontaktlinie auftreten, treten an Wänden mit höherer thermischer Kapazität deutlich vermindert auf. Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche zeigen klar ein lokales Maximum der Wärmestromdichte im Bereich der Kontaktlinie, welches mit einem lokalen Temperaturminimum einher geht. Bei erhöhtem Systemdruck, jedoch gleicher Wandüberhitzung und Kontatktliniengeschwindigkeit verringert sich die lokale Überhöhung der Wärmestromdichte in Kontaktliniennähe zunehmend mit ansteigendem Druck. Dies ist auf die Verringerung der Verdampfungsenthalpie des Versuchsfluids mit steigendem Druck zurückzuführen. Was den Einfluss~der Geschwindigkeit, mit der sich die Kontaktlinie fortbewegt, anbelangt, muss zwischen voranschreitender und zurückschreitender Kontaktlinie unterschieden werden. Bei zurückschreitender Kontaktlinie und gleichem reduziertem Druck und Wandüberhitzung, ist kein Einfluss der Kontaktliniengeschwindigkeit auf den Verlauf der lokalen Wärmestromdichte festzustellen. Bei voranschreitender Kontaktlinie dagegen steigt das Maximum der lokalen Wärmestromdichte an der Wand und damit der in Kontaktliniennähe übertragene Gesamtwärmestrom mit zunehmender Kontaktliniengeschwindigkeit an. Sowohl der Anstieg der maximalen Wärmestromdichte mit steigender Kontaktliniengeschwindigkeit bei voranschreitender Kontaktlinie, als auch die Unabhängigkeit der maximalen Wärmestromdichte von der Kontaktliniengeschwindigkeit bei zurückschreitender Kontaktlinie wurden bei geringen und hohen Werten des reduzierten Drucks beobachtet. Es hat sich in einigen Experimenten gezeigt, dass es bei negativer Meniskusgeschwindigkeit (also zurückschreitender Kontaktlinie) zu der Ausprägung eines dünnen, verdampfenden Flüssigkeitsfilms auf der Heizeroberfläche kommen kann. Ob und in welchem Ma\ss~sich der dünne Film ausprägt, hängt dabei von der Wandüberhitzung, der Geschwindigkeit und Beschleunigung mit der sich die Phasengrenze bewegt, der Verdampfungsenthalpie des Fluids und Benetzungseigenschaften der beheizten Wand ab. Des Weiteren wurde beobachtet, dass es zum Aufreißen des Films aufgrund von Instabilitäten kommen kann. Wenn der dünne, verdampfende Flüssigkeitsfilm auftrat, so war der Anteil der Dünnfilmverdampfung am Gesamtwärmestrom dominierend gegenüber dem Anteil der Kontaktlinienverdampfung. Daraus entsteht die Notwendigkeit, den dünnen Flüssigkeitsfilm mit einem Modell zu beschreiben, wenn er innerhalb eines Verdampfungsprozesses auftritt, um dessen physikalische Grundlagen korrekt zu erfassen. Aufbauend auf der Abschätzung der Dicke eines Flüssigkeitsfilms, welcher auf einer Wand zurückbleibt, wenn diese aus einem Behälter mit ruhender Flüssigkeit gezogen wird, nach Landau und Levich, wurde ein Modell für die stationäre Dünnfilmverdampfung entwickelt. Es wird angenommen, dass die Dünnfilmverdampfung keinen Einfluss auf die initiale Filmdicke hat, so dass diese nach Landau und Levich berechnet werden kann. Ausgehend von der Massen- und Energiebilanz an einem infinitesimal schmalen Filmsegment in einem mit dem Meniskus bewegten Bezugssystem, wird unter einigen Annahmen eine Bestimmungsgleichung für den Gradienten der Filmdicke parallel zur Heizerwand hergeleitet. Durch Entdimensionierung dieser Gleichung wurden dimensionslose Größen bestimmt, welche den Filmdickenverlauf beeinflussen. Ein Vergleich der mittels Modell bestimmten Länge des Dünnfilms mit im Experiment aufgetretenen Dünnfilmlängen zeigt gute Übereinstimmung bis zu einer Grenzgeschwindigkeit, ab der eine zunehmende Abweichung zwischen Modell und Experiment festzustellen ist. Diese Abweichung lässt sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die begrenzte Länge des IR transparenten Heizers zurückführen, was das Erreichen eines stationären Dünnfilmverdampfungszustands nicht ermöglicht.

Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 05 Mar 2015 12:53
Last Modified: 09 Jul 2020 00:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43961
Referees: Stephan, Prof. Peter ; Michael, Prof. Dreyer
Date of oral examination: 4 February 2015
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4396
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