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Inward solidification of a superheated liquid in a cooled horizontal tube

Nach innen gerichtete Erstarrung einer überhitzten Flüssigkeit in einem gekühlten waagerechten Rohr

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Wärme - und Stoffübertragung Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Inward solidification has been studied experimentally and analytically under conditions where the liquid phase is above the fusion temperature (i.e., superheated). The liquid was housed in a horizontal circular tube in which the surface was maintained at a uniform, time-invariant temperature during test runs. Three phase change materials (n-heptadecane,n-octadecane, and water) were used in the tests. Both analysis and experiments have established that for inward solidification, natural convection in a superheated liquid is not important in controlling the solidliquid interface motion for Stefan numbers less than unity. The interface velocity is determined primarily by the thermal resistance across the solid layer. Good agreement has been obtained between experimentally measured and analytically predicted solid-liquid interface positions when the density differences between the phases were accounted for.

Zusammenfassung

Innere Erstarrung, bei der die Temperatur der flüssigen Phase größer als die Schmelztemperatur ist, wurde experimentell und analytisch untersucht. Die Flüssigkeit war eingeschlossen in einem horizontalen Kreisrohr, dessen Wand während der Versuche auf gleichförmiger, stationärer Temperatur gehalten wurde. Drei Stoffe wurden für die Untersuchungen verwendet:n-Heptadekan,n-Oktadekan und Wasser. Sowohl die Analyse als auch die Versuche zeigten, daß bei nach innen fortschreitender Erstarrung die freie Konvektion in der überhitzten Flüssigkeit nicht wesentlich die Bewegung der fest-flüssigen Grenzfläche beeinflußt, wenn die Stefan-Zahl kleiner als Eins ist. Die Grenzflächengeschwindigkeit wird in erster Linie vom thermischen Widerstand der erstarrten Schicht bestimmt. Gute Übereinstimmung zwischen experimentell gemessener und analytisch bestimmter Lage der fest-flüssigen Grenzschicht wurde erzielt, wenn die Dichteunterschiede der beiden Phasen berücksichtigt wurde.

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Abbreviations

c :

specific heat

Fo:

Fourier number,α 3 t/R 20

Gr :

Grashof number,(T f -T b )(2R)3 /v 2

h :

heat transfer coefficient

Δh f :

latent heat of fusion

k :

thermal conductivity

Nu :

Nusselt number,2Rh/k l

Pr :

Prandtl number,μ l c l /k l

r :

radial distance

R :

radial position of the solid-liquid interface

Ra :

Rayleigh number,Gr·Pr

R 0 :

inside radius of the tube

R * :

dimensionless radial position of the solid-liquid interface,R/R 0

Ste :

Stefan number,c 3(T f -T w )/Δh f

T :

temperature

t :

time

α :

thermal diffusivity

β :

coefficient of thermal expansion

θ :

dimensionless temperature, (T-T w /(T f-T w)

τ :

dimensionless time,Ste Fo

ϱ :

density

μ :

dynamic viscosity

μ :

kinematic viscosity

ξ :

dimensionless radiusr/R o

η :

transformation variable defined by Eq. (12)

b :

refers to bulk

f :

refers to fusion or solid-liquid interface

l :

refers to liquid

0:

refers to initial state

s :

refers to solid

w :

refers to wall

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Viskanta, R., Gau, C. Inward solidification of a superheated liquid in a cooled horizontal tube. Wärme- und Stoffübertragung 17, 39–46 (1982). https://doi.org/10.1007/BF01686964

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