Leidenfrost boiling of methanol droplets on hot porous/ceramic surfaces

An experimental and analytical study of film boiling methanol droplets on a porous/ceramic surface is reported. Droplet evaporation times in the wetting and film boiling regimes were measured on a polished stainless-steel surface and three ceramic/alumina surfaces of 10%, 25% and 40% porosity. It was found that the Leidenfrost temperatures increased as surface porosity increased. The Leidenfrost point of the 10% and 25% porous surfaces were nearly 100 K higher and 200 K higher, respectively, than that of the polished stainless-steel surface; methanol droplets could not be levitated on the 40% porous surface at surface temperatures as high as 620 K, which was the maximum surface temperature which could be imposed on this particular material with our apparatus. The evaporation time of liquid deposited on this surface was thus almost two orders of magnitude lower than for levitated droplets on the three other surfaces tested at the same temperature. In the Leidenfrost regime droplets evaporated faster on the porous surfaces than on the stainless-steel surface, and the evaporation time decreased with increasing surface porosity at the same surface temperature. The reduced evaporation times were thought to have their origin in a decrease of the vapor film thickness separating the droplet from the ceramic surface due to vapor absorption and flow within the ceramic material. An analysis of flow in a horizontal channel bounded by an impermeable ẇall above and a permeable wall of finite thickness below was used to model the film boiling process. The results provided a basis for correlating our evaporation time measurements. On présente une étude expérimentale et analytique de l'ébullition en film de gouttelettes de méthanol sur une surface en céramique poreuse. Les temps d'évaporation de gouttelette, dans les régimes de mouillage et d'ebullition en film, sont mesurés sur une surface d'acier inoxydable et sur trois surfaces de céramiques poreuses en alumine avec des porosités de 10, 25 et 40%. On trouve que les températures de Leidenfrost augmentent lorsque la porosité croît. Les points de Leidenfrost des surfaces à 10 et 25% de porosité sont respectivement supérieurs de près de 100 et 200 K à celui de la surface polie d'acier inoxydable. Le temps de'évaporation du liquide déposé sur cette surface est deux fois plus faible de celui des gouttelettes sur les trois autres surfaces portées à la même température. Les temps réduits d'évaporation doivent avoir leur origine dans la diminution de l'épaisscur du film de vapeur séparant la gouttelette de la surface céramique, à cause de l'absorption de la vapeur et de l'écoulement dans le matériau poreux. Une analyse de l'écoulement dans un canal horizontal limité par une paroi imperméable sur le dessus et une paroi perméable d'épaisseur finie au-dessous, est faite pour représenter l'ébullition en film. Les résultats fournissent une base pour relier entre eux les temps d'évaporation mesurés. Es wird über eine experimentelle und analytische Untersuchung zum Filmsieden von Methanoltropf≐n an porösen Keramikoberflächen berichtet. Die Verdampfungszeiten der Tropfen im benetzten und im Filmsiede-Bereich wurden an Oberflächen von poliertem nichtrostendem Stahl und an drei Keramik/Aluminium-Oberflächen mit 10, 20 und 40% Porosität gemessen. Es wurde festgestellt, daβ die Leidenfrost-Temperatur mit zunehmender Oberflächenporosität ansteigt. Der Leidenfrost-Punkt der 10 bzw. 20% porösen Oberflache lag nahezu 100 bzw. 200 K höher als derjenige der polierten Oberfläche von nichtrostendem Stahl. An der 40% porösen Oberfläche konnten die Methanoltropfen bei einer Oberflächentemperatur von 620 K nicht in den Schwebezustand versetzt werden. Dies war die maximale Temperatur, die in der vorhandenen Anlage für das verwendete Material aufgebracht werden konnte. Die Verdampfungszeiten von Flüssigkeitsanlagerungen an dieser Oberfläche waren daher bei gleicher Temperatur fast zwei Gröβenordnungen neidriger als für schwebende Tropfen an den drei anderen Oberflächen. Im Leidenfrost-Gebiet verdampften die Tropfen an den porösen Oberflächen schneller als an der Oberfläche von nichtrostendem Stahl. Die Verdampfungszeit verkürzte sich bei gleicher Oberflächentemperatur mit zunehmender Oberflächenporosität. Es wird angenommen, daβ die verkürzten Verdampfungszeiten von dem—aufgrund von Dampfabsorption und Dampfströmung in das Keramikmaterial—dünner werdenden Dampffilm, der die Tropfen von der Keramikoberfläche trennt, herrührt. Eine Untersuchung der Strömung in einem horizontalen Kanal, der oben von einer underchlässigen Wand und unten von einer durchlässigen Wand endlicher Dicke begranzt wird, wurde benutzt, um den Filmsiedeprozeβ zu modellieren. Die Ergebnisse brachten eine Grundlage zur Korrelation der Verdampfungszeitmessungen. Экcпepимeнтaльнo и тeopeтичecки иccлeдoвaлocь плeнoчнoe кипeниe кaпeль мeтaнoлa нa пopиcтoй (кepaмичecкoй) пoвepчнocти. Измepялocь вpeмя иcпapeния кaпeль в peжимaчcмaчивaния и плeнoчнoгo кипeния нa пoлиpoвaннoй пoвepччocти из нepжaвeющeй cтaли и тpeчкepaмичecкич (кopyндoвыч) пoвepчнocтяч c пopиcтocтью 10, 25 и 40%. Haйдeнo, чтo тeмпepaтypa Лeйдeнфpocтa yeличивaлacь c pocтoм пopнcтocти пoвepчнocти. Toчки Лeйдeмфpocтa дляпoвepчнocтeи c пopиcтocтью 10 и 25% были, cooтвeтcтвeннo, пoчти нa 100 и 200 K вышe, чeм для пoлиpoвaннoй пoвepчнocти из нepжaвeющeй cтaли; кaпли мeтaнoлa нe внтaли нaд пoвepчнocтью c пopиcтocтью 40% пpи тeмпepaтype пoвepчнocти в 620 K, кoтopaя былa мaкcимaльнoдoпycтимoй в иcпoльзyeмoй экcпepимeнтaльнoй ycтaнoвкe. Taким oбpaзoм, вpeмя иcпapeния нaнeceннoй нa этy пoвepчнocть жидкocти былo пoчти нa двa пopядкa мeньшe, чeм для кaпeль, витaющич нaд тpeмя дpyгими пoвepчнocтями, кoтopыe иccлeдoвaлиcь пpи тoй жe тeмпepaтype. B peжимeЛeйдeнфpocтa кaпли иcпapялиcь быcтpee нa пopиcтыч пoвepчнocтяч, чeм нa пoвepчнocти изнepжaдeющeй cтaли, и вpeмя иcпapeния yмeньшaлocь c yвeличeниeм пopиcтocти пpи тoй жe тeмпepaтype пoвepчнocти. Bыcкaзaнo пpeдпoлoжeниe, чтo yмeньшeниe вpeмeни иcпapeнияпppиcчoдит из-зa yмeньшeния тoлщины плeнки пapa, oтдeляющeй кaплю oт кepaмичecкoй пoвepчнocти вcлeдcтвиe aбcopбции пapa, и тeчeния внyтpь кepaмичecкoгo мaтepиaлa. Для мoдeлиpoвaнияпpoцecca плeнoчнoгo кипeния aнaлизиpoвaлocь тeчeниe в гopизoнтaльнoм кaнaлe, oгpaничeннoмнeпpoницaeмoй cтeнкoй cвepчy и пpoницaeмoй cтeнкoй кoнeчнoй тoлщины cнизy. Peзyльтaты пoзвoлили oбoбщить пoлyчeнныe экcпepимeнтaльныe дaнныe пo вpeмeни иcпapeния.