Crößmann, Felix (2016)
Untersuchung der Verdampfung aus strukturierten Oberflächen in Reinstoffatmosphäre.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Unser Alltag ist geprägt durch eine Vielzahl elektronischer Geräte, welche stetig kleiner und leistungsfähiger werden. Verbunden mit der zunehmenden Leistungsdichte ist der wachsende Bedarf an effizienten Wärmeübertragungstechniken zur Fortsetzung dieser Entwicklung. Für die Übertragung hoher Wärmestromdichten hat sich in den letzten Jahren zunehmend der Verdampfungsprozess etabliert, welcher die hohe, an den Phasenwechsel gebundene Energiemenge ausnutzt. Ein Anwendungsbeispiel dieses Prozesses ist das Wärmerohr, welches bereits heute standardmäßig in Notebooks zur Kühlung der Prozessoren genutzt wird, wobei die derzeit größte Limitierung zur Steigerung des übertragbaren Wärmestroms der Wärmeübergang innerhalb des Verdampfers ist. Wie durch die Arbeiten zahlreicher Autoren belegt, ist dieser Wärmeübergang maßgeblich durch den Bereich des dünnen Flüssigkeitsfilms in Wandnähe geprägt. Stephan und Busse nennen diesen Bereich Mikrozone und beziffern den darin übertragenen Wärmestrom auf bis zu 45% der insgesamt zugeführten Wärmemenge. Aufbauend auf diesen Ergebnissen entwickelte Brandt für den Einsatz in Wärmerohren das Konzept der Hochleistungskapillarstruktur, welches die Maximierung des Bereichs der Mikrozone durch die Erweiterung der Oberfläche mit Mikrokanälen vorsieht. So war es Brandt möglich den Wärmedurchgangskoeffizienten um das 3,3-fache zu steigern. Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung des Einflusses der Wärmestromdichte, der Sättigungstemperatur, des Kältemittels, der Oberflächentopografie des Verdampfers sowie der Menge der im System befindlichen nichtkondensierbaren Gase auf den Wärmetransport bei der Verdampfung für den Bereich des stillen Siedens. Zur Durchführung der dafür erforderlichen Experimente wurde ein Versuchsaufbau konzipiert und realisiert, welcher die Untersuchung von fünf verschiedenen Verdampferoberflächen bei Variation dieser Parameter ermöglicht. Novum dieser Arbeit sind die getrennte Untersuchung des Einflusses zweier der die Verdampferoberfläche charakterisierenden Parameter – Größe der Phasengrenzfläche und Länge der 3-Phasen Kontaktlinie – auf den Wärmeübergang sowie die Bestimmung der Fernfeldtemperatur durch Messung des Systemdrucks. Der numerische Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines Modells zur Untersuchung des Einflusses der im Experiment nicht quantifizierbaren Parameter auf den Wärmeübergang. Dies sind die Geometrie des Übergangs zwischen Wand und dem Bereich des dünnen Flüssigkeitsfilms, die Krümmung der Phasengrenze und der Wert des Kondensationskoeffizienten. Des Weiteren ermöglicht das Modell die detaillierte Untersuchung des experimentell bestimmten globalen Wärmeübergangs hinsichtlich des Verhältnisses des im Bereich der Mikrozone sowie über die Phasengrenzfläche des makroskopischen Flüssigkeitsfilms übertragenen Wärmestroms. Basierend auf den Ergebnissen der durchgeführten Experimente können folgende Aussagen bezüglich des Wärmeübergangs durch Vergleich der Wärmedurchgangskoeffizienten getroffen werden: Der Wärmedurchgangskoeffizient ist am größten bei minimaler Wandüberhitzung bzw. minimaler zugeführter Wärmestromdichte und nimmt bis zum Einsetzen des Blasensiedens stetig ab, wobei diese Abnahme nicht linear ist. Wird die Sättigungstemperatur bei konstanter Wärmestromdichte erhöht, so führt dies zu einem Anstieg des Wärmedurchgangskoeffizienten und der Zunahme des maximal übertragbaren Wärmestroms, wobei beides nahezu unabhängig von der Oberflächentopografie des Verdampfers ist. Ebenfalls steigt der Wärmedurchgangskoeffizient bei Verlängerung der 3-Phasen Kontaktlinie sowie Vergrößerung der Phasengrenzfläche an, jedoch ist diese Zunahme nicht linear und bei der Verlängerung der Kontaktlinie stärker ausgeprägt. Ein weiteres zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist, dass bereits geringste Mengen im System befindlicher nichtkondensierbarer Gase zu einer signifikanten Abnahme des Wärmedurchgangskoeffizienten führen. Zudem deuten die Ergebnisse der Untersuchung auf eine direkte Beeinflussung des Verdampfungsprozesses durch diese Gase hin, was in der gesichteten Literatur bis dato noch nicht beschrieben wurde. Die Resultate des numerischen Modells belegen die Abhängigkeit des Wärmeübergangs von der Höhe des Kondensationskoeffizienten, welcher im Experiment nicht bestimmbar ist und aufgrund unvermeidbarer Verunreinigung in der Größenordnung weniger parts per million deutlich abnimmt, was in einem verringerten Wärmeübergang resultiert. Zudem erlauben die Ergebnisse der numerischen Simulation die Quantifizierung des Wärmestromverhältnisses zwischen Mikrozone und makroskopischer Phasengrenze. Dies ermöglicht die experimentell bestimmten Abhängigkeiten des Wärmeübergangs von der zugeführten Wärmestromdichte, der Sättigungstemperatur und des Kältemittels besser zu verstehen. Mit der vorliegenden Arbeit ist es nun möglich den Wärmetransport über mehrere Längenskalen, ausgehend vom Bereich der Mikrozone bis hin zur makroskopischen Phasengrenze, zu beschreiben.

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