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,gβ(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
References
London, A. L.; Seban, R. A.: Rates of ice formation. Trans. ASME 65 (1943) 771–778
Megerlin, F.: Geometrisch eindimensionale Wärmeleitung beim Schmelzen und Erstarren. Forsch. Ing.-Wes. 34 (1968) 40–46
Stephan, K.; Holzknecht, B.: Wärmeleitung beim Erstarren geometrisch einfacher Körper. Wärme- Stoffübertrag. 7 (1974) 200–207
Shamsundar, N.; Sparrow, E. M.: Storage of thermal energy by solid-liquid phase change-temperature drop and heat flux. ASME J. Heat Transfer 96 (1974) 541–543
Riley, D. S.; Smith, F. T.; Foots, G.: The inward solidification of spheres and circular cylinders. Int. J. Heat Mass Transfer 17 (1974) 1507–1515
Huang, C.-L.; Shih, Y.-P.: A perturbation method for spherical and cylindrical solidification. Chem. Eng. Sci. 30 (1975) 876–906
Duda, J. L.; Malone, M. F.; Notter, R. H.: Analysis of twodimensional diffusion-controlled moving boundary problems. Int. J. Heat Mass Transfer 18 (1975) 901–910
Goodling, J. S.; Khader, M. S.: Results of the numerical solution for outward solidification with flux boundary conditions. ASME J. Heat Transfer 97 (1975) 307–309
Horsthemke, A.; Marshall, E.: Speicherung von thermischer Energie in Salz- und Metallschmelzen. Brennst.-Wärme-Kraft 28 (1) (1976) 18–22
Patel, G. S.; Goodling, J. S.; Khader, M. S.: Experimental results of two-dimensional inward solidification. Heat Transfer 3 (1978) 313–317
Ito, S.; Miura, N.; Watanbe, F.: An experimental study on a capsule-type thermal energy storage. Proceedings of the 17th Japanese Heat Transfer Conference 1980
Deaver, F. K.; Eckert, E. R. G.: An interferometric investigation of convective heat transfer in a horizontal cylinder with wall temperature increasing at a uniform rate. Heat Transfer, Vol. 4, Paper NC 1.1. Amsterdam: Elsevier Publishing 1970
Hauf, W.; Grigull, U.: Instationärer Wärmeübergang durch freie Konvektion in horizontalen zylindrischen Behältern. Heat Transfer Vol. 4, Paper NC1. 3, Amsterdam: Elsevier Publishing 1970
Hauf, W.; Grigull, U.: Instationärer Wärmeübergang in horizontalen zylindrischen Behältern. Wärme- Stoffübertrag. 8 (1975) 57–68
Sparrow, W. M.; Ramsey, J. W.; Kemink, R. G.: Freezing controlled by natural convection. ASME J. Heat Transfer 101 (1979) 578–584
Takeuchi, M.; Cheng, K. C.: Transient natural convection in horizontal cylinders with constant cooling rate. Wärme- Stoffübertrag. 9 (1976) 215–225
Bathelt, A. G.; van Buren, P. D.; Viskanta, R.: Heat transfer during solidification around a cooled horizontal cylinder. AIChE Symp. Ser. 75 (1979) 103 -111
Goodman, T. R.: Application of integral methods to transient nonlinear heat transfer. In: T. F. Irvine, Jr. and J. P. Hartnett, (eds.): Advances in Heat Transfer. Vol. 1, pp. 51–122. New York: Academic Press 1964
Saitoh, T.: Numerical method for multi-dimensional freezing problems in arbitrary domains. ASME J. Heat Transfer 100 (1978) 294–299
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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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DOI: https://doi.org/10.1007/BF01686964