Experimental Investigation of Nucleate Boiling on Microstructured and Smooth Surfaces

In the last decade, the focus of boiling research has shifted towards micro- and nanostructures. Both structures improve the boiling process significantly compared to smooth surfaces. The interactions between fluid and surface, however, are very complex and not well understood. This impedes the development of universally applicable correlations that incorporate the influence of those complex structures, which would enable the construction of more efficient evaporators. In this thesis, a new experimental setup is constructed to enable boiling experiments at a large pressure, temperature, and heat flux range. FC-72, a refrigerant, and ethanol are chosen as boiling fluids. The boiling process is analyzed on various length scales using two different heater modules. A copper heater module is used to determine mean heat transfer coefficients and critical heat fluxes. An infrared transparent heater module is utilized to examine local heat transfer phenomena beneath growing bubbles. Two copper microneedle surfaces with a needle diameter of 1µm and different lengths of 10 and 20 µm are manufactured and characterized according to their roughness, their wetting, and wicking behavior. Two uncoated copper surfaces with different roughness are produced for comparison. The experimental data of the uncoated surfaces obtained with the new setup is validated by comparing the data to correlations and data published by other researchers. The two microstructured surfaces increase the heat transfer coefficients by a maximum factor of 2.8 compared to the smoother uncoated surface. The critical heat fluxes obtained for the microstructured surfaces, on the other hand, are reduced. Possible reasons are identified and analyzed, narrowing down the causes. This enabled the construction of an optimized, hierarchical surface, which shows higher critical heat fluxes than the uncoated surfaces. An increase in the heat transfer coefficient occurs at small system pressures, when using a smooth surface and ethanol as boiling fluid compared to FC-72. This is likely due to the formation of an evaporating microlayer, while the measurements using FC-72 show mostly contact line evaporation. These experiments also successfully verify the applicability of correlations distinguishing contact line and microlayer evaporation that were developed using generic non-isothermal dewetting experiments [127].

Mikro- und Nanostrukturen werden seit einigen Jahren verstärkt in der Siedeforschung untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass Mikro- und Nanostrukturen den Siedeprozess deutlich verbessern können im Vergleich mit einer glatten Oberfläche. Die Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und diesen Oberflächen sind jedoch sehr komplex und noch wenig verstanden. Dies erschwert die Entwicklung universell einsetzbarer Korrelationen, die den Einfluss von Mikro- und Nanostrukturen berücksichtigen und zur Auslegung effektiverer Verdampfer genutzt werden können. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein neuer Versuchsaufbau konstruiert, mit dem Siedeexperimente in einem großen Druck-, Temperatur- und Wärmestromdichtenbereich möglich sind. Als Versuchsfluide werden Ethanol und das Kältemittel FC-72 eingesetzt. Unterschiedliche Heizeraufbauten ermöglichen die Untersuchung des Blasensiedens auf verschiedenen Längenskalen. Mit Hilfe eines Kupferheizers können die kritische Wärmestromdichte und der mittlere Wärmeübergangskoeffizient bestimmt werden. Ein infrarot transparenter Heizer ermöglicht die Untersuchung der lokalen, unter einer wachsenden Blase auftretenden Wärmetransportvorgänge. Zwei mikrostrukturierte Oberflächen werden gefertigt, die aus Kupfernadeln mit identischen Durchmessern von 1µm und unterschiedlichen Längen von 10 and 20µm bestehen. Die Oberflächen werden anhand ihrer Rauheit, ihres Benetzungs- und ihres Imbibitionsverhaltens charakterisiert, da die daraus gewonnenen Parameter zur Interpretation des Siedeverhaltens wichtig sind. Als Vergleichsoberflächen dienen zusätzlich zwei unbeschichtete Kupferoberflächen mit unterschiedlichen Rauheiten. Die in dem neuen Versuchsaufbau gemessenen Ergebnisse der unbeschichteten Kupferoberflächen können durch einen Vergleich mit den Ergebnissen anderer Forscher und mit Blasensiedekorrelationen validiert werden. Die beiden mikrostrukturierten Oberflächen können den Wärmeübergangskoeffizienten um den Faktor 2,8 im Vergleich mit der glatteren unbeschichteten Oberfläche verbessern. Die kritischen Wärmestromdichten der mikrostrukturierten Oberflächen sind hingegen kleiner als die Werte auf den unbeschichteten Oberflächen. Die dafür verantwortlichen Phänomene werden analysiert und diskutiert. Anhand dieser Überlegungen wird eine optimierte hierarchische Oberfläche gefertigt, deren kritische Wärmestromdichten größer sind als die der unbeschichteten Oberflächen. Beim Vergleich der beiden Versuchsfluide kann eine Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten bei niedrigen Systemdrücken mit Ethanol festgestellt werden. Dies könnte auf die Bildung eines effektiv verdampfenden Dünnfilms zurückzuführen sein. Die Messungen mit FC-72 zeigen hingegen hauptsächlich Kontaktlinienverdampfung. Darüber hinaus ist es möglich, die Anwendbarkeit fluidspezifischer Korrelationen zur Dünnfilm- und Kontaktlinienverdampfung [127] auf das Blasensieden zu verifizieren.