Experimental investigation of flow boiling of water in narrow rectangular vertical channels

In the last century electric and electronic devices have become an integral part of our life. Simultaneously, in pursuance of people's nature, needs and demands are incessantly increasing. Consequently, the devices are becoming more convenient (by means of being smaller and lighter) and the number of their functions is rising. One of the restrictions which stop this development is the Joule effect which creates a thermal management problem. Many options to achieve successful cooling are available, ranging from very simple passive cooling to active cryogenics methods. Among those, flow boiling offers very good heat transfer performance taking advantage of the latent heat of vaporisation. During flow boiling in microchannels a liquid coolant is pumped through an array of channels which can be attached to heated surfaces. A closed loop containing an evaporator with microchannels, a micropump and a condenser can be very compact and relatively inexpensive. There are three aspects of flow boiling: flow pattern, pressure drop and heat transfer. All three and their relationship are experimentally investigated in this work with the aim to find the best heat transfer performance conditions. The experiments were carried out in three rectangular channels with hydraulic diameters below 0.5 mm. Deionised water was used as working fluid. The heat transfer and pressure drop were investigated. Additionally a visualisation of two-phase flow was done in order to obtain a better understanding of the heat transfer mechanism. The results of this work can be briefly summarized as follows: The best heat transfer performance was found at thermodynamic vapour qualities close to zero, where slug flow was usually observed. The two-phase pressure drop can be predicted by a separate flow model which is based on governing equations (mass, energy and momentum conservation laws), the Lockhart-Martinelli method and the empirical void fraction equation with constants proposed by Lockhart and Martinelli. In dem letzten Jahrhundert sind elektrische und elektronische Gerate ein wesentlicher Bestandteil unseres Lebens geworden. Gleichzeitig steigen, bedingt durch die Natur der Menschen, ihre Bedurfnisse und Anforderungen standig. Infolgedessen werden verfugbare Gerate immer komfortabler (kleiner und leichter) und die Zahl ihren Funktionen steigt. Eine der Beschrankungen, die der Phantasie eine Grenze setzen, ist der Jouleeffekt, der ein thermisches Managementproblem verursacht. Viele erfolgreiche Kuhlmethoden existieren, vom sehr einfachen passiven Kuhlen bis zu aktiven kryogenen Kuhlmethoden. Unter ihnen bietet das Stromungssieden eine sehr gute Warmeubertragungsleistung. Dabei wird die latente Verdampfungswarme genutzt. Beim Stromungssieden in engen Kanalen wird ein flussiges Kuhlmittel durch eine Matrix von Kanalen gepumpt, die an beheizten Oberflachen angebracht werden konnen. Ein entsprechender geschlossener Kreislauf, der einen Verdampfer mit engen Kanalen, ein Mikropumpe und einen Kondensator umfasst, kann sehr kompakt und verhaltnismasig preiswert sein. Es gibt drei Aspekte des Stromungssiedens: Stromungsmuster, Druckverlust und Warmeubergang. Alle drei und ihre gegenseitigen Beziehungen werden in dieser Arbeit experimentell untersucht. Das Ziel war, die besten Warmeubertragungsbedingungen zu finden. Die Versuche wurden in drei rechteckigen Kanalen mit hydraulischen Durchmessern unter 0.5 mm durchgefuhrt. Demineralisiertes Wasser wurde als Warmetrager benutzt. Die Warmeubertragung und der Druckverlust wurden untersucht. Zusatzlich wurde die Zweiphasenstromung visualisiert, um ein besseres Verstandnis der Warmeubertragungsmechanismen zu erhalten. Die Ergebnisse dieser Arbeit konnen kurz folgendermasen zusammengefasst werden: die hochsten Warmeubertragungskoeffizienten erhalt man in engen Kanalen fur thermodynamische Dampfqualitaten nahe Null. Dabei wird gewohnlich Pfropfenstromung beobachtet. Der zweiphasige Druckverlust kann mit einem „separated flow“-Stromungsmodell vorausgesagt werden. Dieses basiert auf den Erhaltungsgleichungen, der Lockhart-Martinelli-Methode und der empirischen Dampfgehaltgleichung mit den von Lockhart und Martinelli vorgeschlagenen Konstanten.