Experimentelle und theoretisch/nummerische Untersuchungen an einzelnen Dampfblasen beim Sieden binärer Gemische unter Berücksichtigung der Blasenkoaleszenz

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Peter Stephan
• Subject Area: Technical Thermodynamics
• Term: from 2005 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5439793

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Das DFG Projekt verfolgte zum Zeitpunkt der Antragsstellung zwei maßgebliche Ziele. Erstens sollten die Einflüsse beim Sieden von Zweistoffgemischen näher untersucht werden. Dazu stand vor allem die Messung des Konzentrationsgradienten in der Nähe der Phasengrenzen im Vordergrund. Zweitens sollte der Einfluss der Blasenkoaleszenz auf den Siedeprozess näher untersucht werden. Beide Themengebiete sollten sowohl numerisch als auch experimentell bearbeitet werden, wobei eine Förderung durch die DFG nur für die experimentellen Arbeiten beantragt wurde. Zu Beginn des Projektes wurde in enger Abstimmung mit dem Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT, Universität Erlangen-Nürnberg) ein Versuchsstand konzipiert. Die enge Kooperation beruhte auf der geplanten gemeinsamen Messung des Konzentrationsgradienten in der Nähe der Phasengrenzen mittels der am LTT entwickelten Raman Spektroskopie. Am Institut des Antragsstellers wurde in Vorversuchen mit de LIF-Methode, gegensätzlich zu vorherigen Annahmen, festgestellt, dass mittels Messungen, welche auf der wellenlängenabhängigen Aufteilung des Messsignals beruhen, für derartige Versuche keine validen Messergebnisse erzielt werden können. Da nach heutigem Stand der Technik keine alternative Messtechnik existiert, die eine derartige Messung in ausreichender Genauigkeit ermöglicht, wurden die Untersuchungen zur Gemischverdampfung eingestellt und der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Interaktion von Blasen verlagert. Die Untersuchungen zur Blasenkoaleszenz wurden um Untersuchungen an Einzelblasen und Interaktionen vieler Blasen auf Heizern technischer Größenordnung erweitert. Mittels der Laseroberflächenstrukturierung war es erstmals möglich, eine ausreichende Anzahl an Keimstellen reproduzierbar herzustellen. Anhand der Untersuchungen an Einzelblasen konnte erstmals dargestellt werden, dass die bisher sehr kontrovers diskutierten Modelle der Dünnfilm- und Kontaktlinienverdampfung als gleichwertig zu betrachten sind. Es war zudem möglich, die Gültigkeitsbereiche beider Modelle zu verifizieren. Dieses Ergebnis ist zudem von besonderer Bedeutung, da beim Strömungssieden (für kleine hydraulische Durchmesser) bisher ähnliche Kontroversen bestehen. Diese sind nach Auffassung des Antragsstellers auf die selben Phänomene zurückzuführen. Hier besteht ein erweiterter Forschungsbedarf. Durch die parallelen numerischen Untersuchungen, konnte eine maßgebliche Abhängig der numerischen Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen eliminiert werden. Somit lassen sich vollständige Blasenzyklen rein numerisch berechnen, was einen erstmaligen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ermöglicht. Die experimentellen Untersuchungen zur Koaleszenz zweier Blasen zeigten eine klare Abhängigkeit der Koaleszenzfrequenz vom Druck und Keimstellenabstand. Das Verhältnis zwischen Druck und Keimstellenabstand, welches zu einer maximalen Koaleszenzfrequenz führt, konnte anhand einer Monte-Carlo-Simulation vorhergesagt werden. Die Simulation beruht auf den statistischen Ergebnissen der Untersuchungen an Einzelblasen. Darüber hinaus wurde für eine Koaleszenz zweier Blasen ein um ca. 30% verbesserter Wärmeübergangskoeffizient festgestellt. Dieses ist auf die hohe Dynamik bei der Koaleszenz sowie mögliche Flüssigkeitsrückstände in der Blase zurückzuführen. Die beobachteten Flüssigkeitsrückstände konnten in numerischen Simulationen ebenfalls beobachtet und näher untersucht werden. Es zeigte sich eine klare Abhängigkeit des Kontaktwinkels auf die zurückbleibende Flüssigkeitsmenge. Untersuchungen auf Heizern technischer Größenordnung zeigten, dass der positive Effekte der Blasenkoaleszenz auf den Wärmeübergangskoeffizienten nicht genutzt werden kann. Eine Erweiterung der Monte-Carlo-Simulation zeigt, dass dies möglichen Koaleszenzen von Blasen, die an weiter entfernten Keimstellen nukleieren, zuzuschreiben ist. Eine direkte Übertragbarkeit von Ergebnissen zwischen unterschiedlichen Längenskalen ist somit nicht uneingeschränkt möglich. Darüber hinaus konnte in sehr enger Kooperation mit dem Projektpartner am IET in einer zweiwöchigen gemeinsamen Messkampagne eine maßgebliche Verbesserung der dort entwickelten Mikrothermoelementsonden erzielt werden. Darüber hinaus wurden Messungen zur Validierung der dort entwickelten optischen Sonden zur Phasendetektion durchgeführt. Die Verbesserung der Mikrothermoelementsonden führten zu einem geplanten Einsatz dieser Sonden in einem europäischen Siedeversuch auf der Internationalen Raumstation (ISS). Vier wissenschaftliche Preise und Auszeichnungen, die auf die Arbeit in diesem Projekt zurückzuführen sind, unterstreichen die hohe Qualität und den erfolgreichen Abschluss des DFG-Projektes.

Publications

• CFD simulation of boiling flows using the Volume-of-Fluid method within OpenFOAM. Proceedings 7th Int. Conf. on Boiling Heat Transfer, Florianopolis, 2009
  C. Kunkelmann, P. Stephan
  
• Transient local heat fluxes during the entire vapour bubble life time. Proceedings 7th Int. Conf. on Boiling Heat Transfer, Florianopolis, 2009
  P. Stephan, T. Fuchs, E. Wagner, N. Schweizer
  
• Modification and extension of a standard volume-of-fluid solver for simulating boiling heat transfer. Proceedings ECCOMAS CFD 2010 - Fifth European Conference on Computational Fluid Dynamics, Lisbon, 2010
  C. Kunkelmann, P. Stephan
  
• Numerical simulation of the transient heat transfer during nucleate boiling of refrigerant HFE-7100. International Journal of Refrigeration, Vol. 33, Issue 7, pp. 1221-1228, 2010
  C. Kunkelmann, P. Stephan
  
• Characteristics of evaporative heat transfer in the vicinity of a 3-phase contact line. 4th International Conference on Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale, Fukuoka, 2011
  P. Stephan
  
• A contribution to the basic understanding of nucleate boiling phenomena: generic experiments and numerical simulations. Proceedings 3rd International Forum on Heat Transfer, Nagasaki, 2012
  P Stephan, A. Sielaff, S. Fischer, J. Dietl, S.Herbert
  
• Contact Line Behavior for a Highly Wetting Fluid under Superheated Conditions. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp. 2664-2675, 2012
  R. Raj, C. Kunkelmann, P. Stephan, J. Plawsky, J. Kim
  
• Experimental Investigation of Nucleate Boiling on a Thermal Capacitive Heater Under Variable Gravity Conditions. Microgravity Science and Technology, Vol. 24, Issue 3, pp. 139-146, 2012
  S. Fischer, S. Herbert, A. Sielaff, E. Slomski, P. Stephan, M. Oechsner
  
• Molecular Dynamics Simulation of the Microregion. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 59, pp. 21-28, 2012
  E.A.T. van den Akker, A.J.H. Frijns, C. Kunkelmann, P.A.J. Hilbers, P. Stephan, A.A. van Steenhoven
  
• The effect of three-phase contact line speed on local evaporative heat transfer: Experimental and numerical investigations. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp. 1896-1904, 2012
  C. Kunkelmann, K. Ibrahem, N. Schweizer, S. Herbert, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman
  
• The influence of system pressure on bubble coalescence in nucleate boiling. Proceedings ECI 8th Int. Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, Lausanne, 2012
  A. Sielaff, J. Dietl, S. Herbert, P. Stephan
  
• The influence of system pressure on bubble coalescence in nucleate boiling. Heat Transfer Engineering, Vol. 35, Issue 5, pp. 420-429, 2014
  A. Sielaff, J. Dietl, S. Herbert, P. Stephan