Experimentelle Untersuchung der Hydrodynamik und der Wärmeübertragungwährend Tropfenaufprall auf Flüssigkeitsfilm
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- Tez No: 713677
- Danışmanlar: PROF. DR. PETER STEPHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: Almanca
- Üniversite: Technische Universität Darmstadt
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 79
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Um Wärme von heißen Oberflächen abzuleiten, ist die Sprühkühlung eine sehr effiziente Kühlungsmethode. Diese wird in den Bereichen wie Metallproduktion, Kühlung von Elektronikmodulen, Kühlung von Laserdioden und menschlichem Gewebe mit kryogenen Flüssigkeiten in der Medizintechnik angewendet [1]. Der Sprayaufprall führt zur Entstehung eines fluktuierenden Fllüssigkeitsfilmes. Dieser Film kann kontinuierlich sein, aber es kann auch trockene Stellen einschließen. In manchen Fällen bildet sich kein Film und die Flüssigkeit wird in einzelne langsam bewegende Tropfen auf dem Zielobjekt gesammelt. Hierbei ist die Form der Flüssigkeitsverteilung für die Wärmeübertragung sehr wichtig. Ein grundlegendes Phänomen der Sprühkühlung ist der Einzeltropfenaufprall auf einen Flüssigkeitsfilm, der eine beheizte Wand benetzt. Der Tropfenaufprall führt zur Entstehung einer Krone. Nach dem Tropfenaufprall können drei Hauptbereiche des Filmes unterschieden werden: der gestörte dünne Flüssigkeitsfilm auf der Wand innerhalb der Krone (engl. „inner region“), der ungestörte Flüssigkeitsfilm auf der Wand außerhalb der Krone (engl. „film”) und die Krone selbst (engl. „crown-like sheet") [2]. Abbildung 1.1 – Simulation eines Einzeltropfenaufpralls auf Flüssigkeitsfilm [2] Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Hydrodynamik und Wärmeübertragung im dünnen Flüssigkeitsfilm innerhalb der Krone für den Kühlvorgang entscheidend sind. Die Hydrodynamik des Tropfenaufpralls ist vom Tropfendurchmesser, Aufprallwinkel, Temperatur der benetzten Oberfläche, von dessen Benetzbarkeit und der Struktur auf dem Zielobjekt abhängig. Ein weiteres essentielles Phänomen ist der lokale Aufriss des dünnen Films innerhalb der Krone, welcher die Topologie der Flüssigkeitsverteilung auf dem Zielobjekt beeinflusst. Um den Einfluss der Schwerkraft auf den Tropfenaufprall zu eliminieren und die Analyse weiterer wichtiger Effekte (wie Trägheitskraft, Viskosität, Oberflächenspannung) zu ermöglichen, wurde ein Parabelflugexperiment durchgeführt. Die Hauptintension des Parabelflugexperiments lag darin, den Filmaufriss und die Wiederbenetzung auf strukturierten Oberflächen innerhalb der Krone zu untersuchen. Darüberhinaus sollte die Wärmeübertragung während des Tropfenaufpralls mittels Infrarotaufnahmen analysiert werden. Rim Crown-like sheet Film Inner region Substrate r z Technische Universität Darmstadt – FG Technische Thermodynamik 2 Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Vorbereitung des Parabelflugexperimentes, in dem in einen bestehenden Versuchsstand zur Untersuchung der Spraykühlung eine neue Testzelle zur Inspizierung der Hydrodynamik und der Wärmeübertragung beim Einzeltropfenaufprall integriert und die dazugehörigen Messinstrumente eingebaut und in Betrieb genommen werden. Da die Messung der Filmdicke bzw. des Filmaufrisses innerhalb der Krone während des Parabelflugexperiments nicht möglich ist, sollen im Chemielabor des Instituts Technische Thermodynamik, ergänzende Referenzexperimente hinsichtlich Änderung von Flüssigkeitsfilmdicken im Zentrum des Tropfenaufpralls durchgeführt und deren Auswertung vorgenommen werden. Im ergänzenden Versuch sollen die Tropfenaufpralle auf einen Flüssigkeitsfilm ohne den Einsatz von Heizung und strukturierten Oberflächen verwirklicht werden. Außerdem werden die Tropfengeschwindigkeiten mittels Hochgeschwindigkeitsaufzeichnungen ermittelt. Im Folgenden wird zunächst der Stand der Wissenschaft erläutert. Hier gibt eine Zusammenfassung der experimentellen Arbeiten und relevanten theoretischen Ansätzen hinsichtlich des Einzeltropfenaufpralls die wichtigsten Gesichtspunkte wieder, die für diese Arbeit von Bedeutung sind. Daran schließen die Beschreibung, Vorbereitung, Durchführung des Parabelflugexperiments an. Danach folgt die Beschreibung eines Flüssigkeitsreservoirs, das für das Parabelflugexperiment entwickelt wurde. Des Weiteren sind der Aufbau und der Ablauf der ergänzenden Referenzversuche im Labor und die daraus erhaltenen Resultate aufgeführt. Im Anschluss an dieses Kapitel werden Infrarotaufnahmen vom Parabelflugexperiment vorgestellt. Zum Schluss sind die wichtigsten Erkenntnisse aus den jeweiligen Versuchen dieser Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick geschildert.
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