Experimentelle Bestimmung und Modellierung des Wärmeübergangs bei der Spraykühlung an bewegten Metallbändern

Die Spraykühlung ist ein in der Metallverarbeitung etabliertes Verfahren zur Materialkühlung. Es wird in allen Verarbeitungsstufen vom Strangguss über das Warmwalzen bis zum Kaltwalzen angewendet. Für die Zerstäubung der Kühlflüssigkeit werden je nach Anwendungsfall Einstoffdüsen mit unterschiedlichen Strahlgeometrien oder pneumatische Zerstäuber eingesetzt. Als Kühlflüssigkeiten kommen Wasser, Emulsion oder Öl zum Einsatz, abhängig vom Einsatzgebiet. Obwohl die Technik schon lange erfolgreich im Einsatz ist, sind die physikalischen Zusammenhänge noch nicht vollständig erfasst. Eine genauere Kenntnis der Vorgänge führt jedoch zu einer besseren Kühlmittelnutzung und somit zu einer Effizienzsteigerung. Die experimentellen Ansätze zur Bestimmung der bei der Spraykühlung auftretenden Wärmeübergangskoeffizienten werden bisher an stationären Proben durchgeführt. Es sind daher keine Ansätze bekannt, ob diese Ergebnisse auf die schnell ablaufenden Produktionsprozesse übertragen werden können. Um diesen Schritt durchführen zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein Versuchsaufbau vorgestellt, an dem die in der Praxis auftretenden Bedingungen unter Laborvoraussetzungen nachgestellt und untersucht werden. Ein Berechnungsmodell der Kühlstrecke wird vorgestellt und validiert, mit dem die am Prüfstand durchgeführten Orientierungsversuche ausgewertet werden. Es wird dargestellt, dass bei einer bewegten Oberfläche die dynamische Beaufschlagungsdichte eine entscheidende Größe für den Wärmeübergangskoeffizienten darstellt und von der Bandgeschwindigkeit unabhängig ist. Die Versuche zeigen, dass der erzielte Wärmeübergangskoeffizient im Bereich der Konvektion bei einer dynamischen Probe deutlich größer ausfällt als durch stationären Messungen vorhergesagt. Die Übergangsbereiche von der Konvektion zur Blasenverdampfung sowie von der Blasenverdampfung zur partiellen Filmverdampfung wurden am bewegten Band nicht festgestellt, sie stellen sich als ebene Fortsetzung der Konvektion dar, bis es zu einem Abfall des Wärmeübergangskoeffizienten bei vollständiger Überschreitung des Nukiyama- Punktes im Beaufschlagungsbereich kommt