Leube, Felix Konradin (2019)
Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Verdampfung in Mikrokanälen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00009135
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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