Untersuchung der intensiven Kühlung von heißen Oberflächen mit Wasserstrahlen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird der Prozess des instationären Abkühlens heißer Oberflächen von hohen Temperaturen (T0 > TLF) mittels freier Prallstrahlen aus Wasser analysiert und Erkenntnisse bezüglich der thermo- und hydrodynamischen Mechanismen des Strömungssiedens sowie deren Abhängigkeiten von den Prozessgrößen dargelegt. Hierfür wurde ein gekoppeltes hydro- und thermodynamisches Mehrphasen-Simulationsmodell (M-CFD) entwickelt, das den gesamten Abkühlprozess der Strahlkühlung in allen Phasen abbilden kann. Durch die numerische Berechnung wird ein Zugang zu den für den Wärmeübergang entscheidenden Größen möglich, wie der Oberflächentemperatur und dem Wärmestrom. Diese Größen können in Experimenten nicht direkt erfasst werden. Zur Validierung des Modells werden zwei experimentelle Ansätze eingesetzt. Im ersten wird der Benetzungsprozess bzw. die Hydrodynamik mit Hilfe einer Highspeed-Kamera analysiert. Das Tracking der Benetzungsfront ist dabei die maßgeblich zu erfassende Größe. Weitere Phänomene, wie das Abspritzverhalten, d.h. der Abspritzwinkel sowie die Größe der Sekundärtropfen wurden untersucht. In der zweiten experimentellen Methode wird die Temperaturverteilung auf der Rückseite von dünnen Platten mit einer Infrarot-Kamera während der Strahlabkühlung kontinuierlich aufgezeichnet. Die Ergebnisse geben Rückschlüsse auf die thermodynamischen Abläufe und bieten somit eine weitere Größe zur Validierung des Modells. In den experimentellen Versuchen konnte beobachtet werden, dass ein vor dem Auftreffen auf die Platte gestörter Wasserstrahl einen massiven Einfluss auf den Benetzungsprozess hat. Insbesondere inkohärente und stark gestörte Strahlen verzögern den Prozess und senken die Effizienz im Hinblick auf den Massenstrom. Aus der Dimensions- / Modellanalyse sowie der Sensitivitätsanalyse / Parameterstudie gehen die entscheidenden Einflussfaktoren auf den Kühlprozess hervor, sodass maßstabsunabhängige bzw. entdimensionalisierte Korrelationen zur Berechnung des Benetzungsprozesses und des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten im Siedebereich erstellt werden konnten. Mit Hilfe der aus der Literatur bekannten Gleichungen zur Bestimmung des Wärmeübergangs im benetzten Bereich kann zu jeder Zeit und an jedem Ort die Wärmeübertragung berechnet werden.