Jeschar, Rudolf

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Zum Mechanismus der Wärmeübertragung beim Kühlen von Metallen mit verdampfenden FlüssigkeitenJeschar, RudolfVeröffentlicht in: Jahrbuch 1988 der Braunschweigischen Wissenschaftlichen Gesellschaft, S.81-82Verlag Erich Goltze KG, GöttingenDigitale Bibliothek Braunschweighttp://www.digibib.tu-bs.de/?docid=0005390814.10.1988 in Braunschweig Zum Mechanismus der Wärmeübertragung beim Kühlen von Metallen mit verdampfenden Flüssigkeiten Von Rudolf Jeschar 81 Kühlprozesse mit verdampfenden Flüssigkeiten sind in allen Bereichen der metall-erzeugenden und -verarbeitenden Industrie anzutreffen und erfahren eine ständig zunehmende Bedeutung. Beispiele sind das Stranggießen von Stählen, Aluminium, Kupfer und anderen Metallen, das Tauchhärten von Stahl, Gußeisen und Leichtmetall-legierungen sowie das Oberflächenhärten von Stählen nach einer induktiven Erwär-mung einer dünnen Randschicht. Als Flüssigkeiten dienen Wasser, Öle sowie Polymer-lösungen. Diese liegen als Bäder vor, in die die Werkstücke eingetaucht werden, oder sic werden mittels Düsen als Filme oder als zerstäubte Flüssigkeitsstrahlen auf die Werkstückobcrflächen aufgespritzt. Im wesentlichen kommt es bei diesen Kühlprozessen darauf an, ganz bestimmte Zeit-Temperaturverläufe, z.B. an der Oberfläche einzustellen, um Werkstoffe definier-ter Eigenschaften erzeugen zu können. Die Abkühlvorgänge von Festkörpern mit Wär-meabfuhr durch Strahlung und Konvektion sind im wesentlichen bekannt. Nicht hinrei-chend geklärt sind hingegen die physikalischen Vorgänge bei Kühlprozessen, bei denen mit verdampfenden Flüssigkeiten Wärme von ciner heißen Oberfläche abgeführt wird. In der Praxis werden deshalb solche Prozesse noch weitgehend empirisch ausgelegt und optimiert. Um diese Vorgänge für die Zukunft berechenbar zu machen, werden am Institut für Energieverfahrentechnik umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, worüber berichtet wurde. Die Abkühlung mit verdampfenden Flüssigkeiten hängt weitgehend davon ab, in welcher Weise die Kühlflüssigkeit mit der heißen Metalloberfläche in Berührung kommt. Das grundsätzliche Verhalten während des Abkühlvorganges ist bereits vom Behältersieden her bekannt, wobei die vier Bereiche Wärmeübertragung durch Kon-vektion, durch Blasenverdampfung, durch partielle Filmverdampfung und durch sta-bile Filmverdampfung durchlaufen werden. Von einander getrennt werden die Blasen-verdampfung und partielle Filmverdampfung durch den Burnoutpunkt und die par-tielle Filmverdampfung und Filmverdampfung durch den Leidenfrostpunkt. Im Unter-schied zur Verdampfertechnik werden jedoch bei Kühlprozessen diese vier Bereiche in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen. Kühlvorgänge mit verdampfenden Flüssigkei-ten beginnen also stets damit, daß sich zunächst ein Dampffilm auf der Oberfläche aus-bildet, weshalb sich wegen der Isolierwirkung der Dampfschicht nur eine relativ nied-rige Abkühlgeschwindigkeit einstellen kann. Sobald der Leidenfrostpunkt erreicht wird, platzt dieser Film, so daß jetzt die Oberfläche von Flüssigkeit benetzt wird und die Kühlgeschwindigkeit um ein Vielfaches ansteigt. Die gesamte Abkühlzeit eines Werkstückes hängt also wesentlich davon ab, bei welcher Oberflächentemperatur der Digitale Bibliothek Braunschweighttp://www.digibib.tu-bs.de/?docid=0005390882 Zum Mechanismus der Wärmeübertragung Dampffilm zerstört wird. Experimentelle Untersuchungen mit den Grundkörpern Platte, Zylinder und Kugeln zeigen nun, daß diese Vorgänge im wesentlichen von der Oberflächentemperatur, der Flüssigkeitstemperatur, der Anströmgeschwindigkeit, der Körpergröße sowie von der Art der Flüssigkeit bestimmt werden. Die einzelnen Abhängigkeiten wurden an hand zahlreicher Diagramme veranschaulicht. Zum Verständnis dieser experimentellen Ergebnisse wurde anschließend ein mathematisches Modell vorgestellt, das den Wärmeübergangmechanismus während der Filmphase beschreibt. Dieses Modell geht davon aus, daß die Wärme zunächst durch Wärmeleitung und Strahlung durch den Dampffilm transportiert wird. An der Phasengrenze wird dann diese Wärme teilweise durch Konvektion an die Flüssigkeit abgeführt und teilweise zur Verdampfung von Flüssigkeit verbraucht. Dabei zeigt sich, daß nur so viel Flüssigkeit verdampft, wie durch den Dampffilm selbst abströmen kann. Die abströmende Dampf-menge wird aber ihrerseits vom Auftrieb, der von der Dichtedifferenz zwischen Flüssig-keit und Dampf und von der Körperabmessung abhängt, sowie vom Strömungswider-stand des Dampffilmes bestimmt. Das sich hierbei ausbildende Strömungsprofil im Dampffilm erzeugt nun eine Schlepperwirkung, so daß sich auch in der Flüssigkeit ein entsprechendes Strömungsprofil ausbildet. Von diesem hängt dann die durch Konvek-tion in die Flüssigkeit abgeführte Wärme ab. Die einzelnen Teilphänomene sind also in vielfältiger Weise wechselseitig voneinander abhängig, was bisher nur theoretisch ana-lysiert werden konnte. Entscheidend für den weiteren Fortgang dieser Untersuchun-gen ist nun der theoretische Befund, daß bei niedrigen Flüssigkeitstemperaturen von unterhalb 50 bis 60 oe mehr als 95% der übertragenden Wärme durch Konvektion an die Flüssigkeit abgegeben werden. Die durch Verdampfung verbrauchte Wärme ist also in erster Näherung vernachlässigbar. Dieses Ergebnis erleichtert die weiteren theoretischen und experimentellen Unter-suchungen. Sehr wohl hängt aber dieser konvektive Wärmeübergang vom Strömungs-verhalten des Dampfes innerhalb der Dampfschicht ab. Andererseits zeigt die theoreti-sche Analyse dieses Prozesses, daß bei hohen Flüssigkeitstemperaturen in der Nähe des Siedepunktes die übertragene Wärme fast ausschließlich zur Verdampfung der Flüssig-keit benötigt wird. Derartige Verhältnisse liegen in der Verdampfertechnik vor. Aus die-sem unterschiedlichen Verhalten wird verständlich, warum die aus der Verdampfer-bzw. Kernreaktortechnik bekannten Gleichungen zur Beschreibung der Wärmeüber-tragung auf die Kühltechnik in den Werkstoffwissenschaften nicht anwendbar sind, obwohl in beiden Bereichen phänomenologisch die gleichen Vorgänge beobachtet werden. Digitale Bibliothek Braunschweighttp://www.digibib.tu-bs.de/?docid=00053908

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Zum Mechanismus der Wärmeübertragung beim Kühlen von Metallen mit verdampfenden Flüssigkeiten

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