Verdampfung von dünnen Filmen an strukturierten Oberflächen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Tatiana Gambaryan-Roisman
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2002 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5379112

Das vorgeschlagene Projekt hat sowohl die experimentelle als auch die theoretischnumerische Untersuchung von Wärme- und Stoffübertragung bei der Verdampfung von dünnen Flüssigkeitsfilmen auf strukturierten Oberflächen zum Ziel. Neben den allgemeingültigen Grundlagen sollen die Transportphänomene insbesondere im Hinblick auf die Fallfilmverdampfung und die Sprühkühlung untersucht werden, nun Methoden für die Auslegung und Optimierung solcher thermischen Apparate zu erarbeiten. Zur experimentellen Untersuchung verdampfender Fallfilme an strukturierten Oberflächen soll ein Versuchsstand aufgebaut werden, der eine detailliertere Untersuchung der Verdampfung von Fallfilmen ermöglicht... Während des Experiments werden der Volumenstrom der Flüssigkeit, deren Temperatur, der Dampfdruck und die Wärmestrom geregelt. Folgende Parameter sollen gemessen werden: Temperaturverteilung auf der Wand, Dampftemperatur und örtliche Filmdicke. Die Flüssigkeitsverteilung auf der strukturierten Oberfläche sowie die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche werden mit Hilfe der Infrarotthennographie und optischen Methoden bestimmt. Zur experimentellen Untersuchung der Sprühkühlung an strukturierter Oberfläche soll ein zweiter Versuchsstand aufgebaut werden... Durch die Austauschbarkeit der Düsen und die Regelung der Flüssigkeits- und Luftvolumenstrom wird erreicht, dass die Eigenschaften des aufprallenden Sprays in einem weiten Rahmen variiert werden können. Die Temperatur der Flüssigkeit vor der Zerstäubung und die Heizrate der Platte werden geregelt. Während des Versuchs sollen folgende Daten erfasst werden: Temperaturvertellung auf der heißen Oberfläche, Druck und Temperatur in der Kammer, mikroskopische Eigenschaften des Sprays, Filmdickenvertellung. Im theoretisch- numerischen Teil des Projektes sollen die Strömungsvorgänge von dünnen Flüssigkeitsfilmen zusammen mit dem Wärmetransport und dem Phasenwechsel unter Berücksichtigung der Vorgänge in der wandnahen Mikrozone betrachtet werden. Der Einfluss der Welligkeit des verdampfenden Films soll ebenfalls abgebildet werden. Als Mikrozone wird die Region bezeichnet, in der sich die Grenzfläche Flüssigkeit-Dampf der festen Wand nähert. Die Lösung zur Beschreibung des Wärme- und Stofftransports in der Mikrozone kann mit Hilfe eines Runge-Kutta - Verfahrens erfolgen. Die Bestimmung des Geschwindigkeits- und des Temperaturfelds im verdampfenden, dünnen Film erfolgt mit Hilfe der Finiten-Element-Methode. Die dynamischen Vorgänge beim Auftreffen der Tröpfchen sowohl auf der trockenen als auch auf der benetzten Oberfläche werden in das Modell des Sprühkühlung einbezogen, wobei für diese speziellen Aspekte vorwiegend auf Grundlagen zurückgegriffen wird, die anderorts erarbeitet wurden. Nach Auswertung und Vergleich der experimentell und numerisch gewonnenen Daten soll die Oberflächenstruktur für das Erreichen eines maximalen Wärmeübergangskoeffizienten und einer maximalen kritischen Wärmestromdichte bei gegebenem Massenstrom identifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen