ISBN 978-3-8439-5491-4

978-3-8439-5491-4, Reihe Thermodynamik

Niklas Buchholz
Analyse mikrostrukturierter Heizflächen hinsichtlich der Blasenbildung bei der Verdampfung

215 Seiten, Dissertation Universität Kassel (2024), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Der Wärmeübergang im Bereich des Blasensiedens wird maßgeblich durch die Bildung von Dampfblasen bestimmt. Diese bilden sich in Vertiefungen in der Oberfläche, die als Keimstellen dienen. In der Arbeit wird der Einfluss der Mikrostruktur einer Heizfläche auf die Dampfblasenbildung anhand des Wärmeübergangs und der Benetzung untersucht. Die experimentellen Untersuchungen des Wärmeübergangs werden an einer Siedeapparatur an sandgestrahlten Kupferrohren durchgeführt. Im Bereich des beginnenden Blasensiedens ist der Einfluss der Mikrostruktur ausgeprägt. Für hohe Wärmestromdichten und hohe Drücke ist der Einfluss der Mikrostruktur in Abhängigkeit der Oberflächenbearbeitung zu berücksichtigen. Aus den experimentellen Ergebnissen wird die Anzahl aktiver Keimstellen bestimmt und mit gezählten Dampfblasen aus Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen verglichen. Der Wärmeübergang ist mit den angegebenen Funktionen aus den Einflussparametern auf das Blasensieden anhand der aktiven Keimstellen berechenbar.

Die Mikrostrukturanalysen erfolgen für die Versuchsrohre und weitere Oberflächen. Zusätzlich zu den geometrischen Parametern nach Norm werden Vertiefungsverteilungen der potentiellen Keimstellen mit einem 3-dimensionalen Hüllkurvenverfahren berechnet und mit den aktiven Keimstellen verglichen. Die Hüllfläche stellt die Druckabhängigkeit des Wärmeübergangs und die Benetzung der Oberfläche durch das Fluid dar. Die Vertiefungsparameter werden in Gleichungen in Abhängigkeit des arithmetischen Mittelwertes überführt.

Die Benetzung wird anhand experimenteller Untersuchungen des Randwinkels analysiert. Diese werden bei atmosphärischen Bedingungen gegenüber Luft und zusätzlich in einer Druckkammer in gesättigter Atmosphäre gemessen. In gesättigter Atmosphäre wird kein Einfluss des Druckes und der Rauheit auf die Benetzung festgestellt. Der in der Literatur angenommene Randwinkel von 35° für Kältemittel wird in gesättigter Atmosphäre bestätigt.