Proces vrenja tj. uparjanja stacionarne vode v bazenu je proces konvektivnega prenosa toplote s fazno spremembo. Pri višji temperaturi površine ob stiku s kapljevino z nižjo temperaturo, se vzpostavi konvektivni odvod toplote, ki s površine odvaja toploto. Do temperature nasičenja medija in nekaj kelvinov več je prisotna samo naravna konvekcija, saj je še dovolj intenzivna za prenašanje nižjih rangov gostote toplotnega toka. Ob še večjem pregretju, pa se že pojavijo režimi razvitega vrenja, kjer prihaja do fazne spremembe kapljevine. V tem raziskovalnem delu v bazenu nimamo prisotnih prisilnih gibanj ali kakršnih koli zunanjih sil, razen grelnika v mirujočem bazenu. Torej prisoten je atmosferski tlak z dovajanjem toplote iz spodnje strani, kar pomeni, da pride do dviganja toplega dela vode proti hladnemu delu vode (atmosfera) in pojava naravnega kroženja. Ker nočemo izgubljati kapljevine preko uparjanja, pa uvedemo še obraten proces vrenja – kondenzacija;
ob stiku pare s steno, ki ima temperaturo nižjo od nasičenja temperature pare, se ta pretvori v kapljevino in pade nazaj v bazen. Tako lahko dlje časa izvajamo poskuse brez večjih izgub kapljevine. Pomembno je poznati nekaj glavnih parametrov katere je moč opazovati;
temperatura grelne površine, temperatura nasičenja medija, temperatura medija. Vrenje lahko razdelimo v nasičeno, kjer je temperatura nasičenja enaka povprečni temperaturi medija in podhlajeno, kjer je temperatura nasičenja večja od temperature medija. V naši raziskavi smo se osredotočili le na nasičeno vrenje.
Prednosti vrenja:
- Visok koeficient toplotne prestopnosti - Konstantna temperatura hladilnega medija
- Zmožnost obratovanja procesa pri konstantnem tlaku - Predvidljiva temperatura hlajenja
Slabosti vrenja:
- Kompleksen pojav (Težko modeliran pojav)
- Naključen (Nano skala površine – nukleacijska mesta, interakcija fluid-površina) - Ponovljivost
- Spremenljivost površine (Oksidacija, kemijske reakcije, obraba zaradi intenzivnosti itd.)
Teoretične osnove in pregled literature
2.1.1 Vrelna krivulja
Za popis površine ob prenosu toplote z vrenjem, zelo dobro pokaže vrelna krivulja prikazana na sliki 2.1, ki se še danes uporablja kot osnovno orodje za prikaz eksperimentalnih rezultatov na področju vrenja. Le ta nazorno prikaže odvisnost gostote toplotnega toka od pregretja površine, katerega izračunamo kot razliko med povprečno temperaturo površine (Tw) in temperaturo delovnega fluida (Td).
Slika 2.1: Potek vrelne krivulje.
Funkcija vrelne krivulje je razdeljena v štiri značilne dele, ki popisujejo področje obratovanja. Pri nizkih pregretjih se približujemo točki nastopa mehurčkastega vrenja, kjer se zaradi pojava uparjanja uporablja večja toplota iz okolice in se tako zniža temperatura pregretja, kar se opazi s preskokom na manjšo temperaturo. Skoraj linearni prvi del popisujemo naravni konvekciji; naravno fizikalno premikanje mase višjih temperatur proti nižjim zaradi manjšanja gostote medija z višjo temperaturo pri greti površini. Nekoliko pred pojavom uparjanja sledi območje mehurčkastega vrenja, kjer se začne toplota odvajati intenzivnejše, zatorej tudi večji naklon krivulje in pojav vedno višje frekvence uparjanja, dokler ne pridemo do kritične gostote toplotnega toka (ang. Critical Heat Flux - CHF) , ki narekuje koalescence mehurčkov v večje gmote in prekinitev dovoda sveže vode v stik s površino, kar pomeni, da se prenos toplote vrši preko parnega filma gmote mehurčkov.
Intenziteta se drastično zniža in s tem tudi gostota toplotnega toka. Potrebna so vse večja pregretja površine, dokler ni dosežena najnižja točka razvitega filmskega vrenja, ki je imenovana tudi Leidenfrostova točka. Sedaj so pregretja že zelo velika in vedno večjo vlogo prevzema sevalni prenos toplote. S še večjim pregrevanjem lahko presežemo kritično gostoto toplotnega toka, vendar bi to pomenilo previsoke temperature na površini, ki zlahka poškodujejo površino ali pa so temu namenjene površine predrage za izdelavo.
Pomembni so tudi fenomeni, ki so posledica reguliranja pregretja površine ali gostote toplotnega toka. Če bi regulirali le gostoto toplotnega toka, bi imeli prehod iz kritične točke gostote toplotnega toka proti filmskem vrenju. Z zmanjševanjem pa bi se vračali v najnižjo točko filmskega vrenja in direktno v mehurčkasto vrenje. V okviru naše raziskave smo
Teoretične osnove in pregled literature
preskus izvajali le do kritične gostote toplotnega toka, saj se nam zdi inženirsko zanimivo samo pri manjših pregretjih površin.
𝛼 = 𝑞̇
𝑇𝑤 − 𝑇𝑑[ 𝑊
𝑚2𝐾−1] (2.1)
Koeficient toplotne prestopnosti (𝛼) lahko povzamemo kot naklon vrelne krivulje in se spreminja z gostoto toplotnega toka (𝑞̇) ter pregretjem površine (𝑇𝑤− 𝑇𝑑). Če pogledamo povprečni naklon oz. linearni naklon premice od nastopa mehurčkastega vrenja do kritične gostote toplotnega toka večja številka pomeni efektivnejši prenos toplote.
Slika 2.2: Prikaz teoretičnih izboljšav vrelne krivulje.
Ko pogledamo vrelno krivuljo in se vprašamo kaj bi bile možne izboljšave, moramo vzeti ključne parametre CHF (kritična gostota toplotnega toka) , ONB (nastop mehurčkastega vrenja) in sam naklon vrelne krivulje iz ONB proti CHF, ki jo predstavlja koeficient toplotne prestopnosti (𝛼); slikovno prikazano na sliki 2.2. Torej ključno je da v procesu vrenja zmanjšamo pregretje pri katerem nastopi ONB (hitrejši odvod toplote in začetek mehurčkastega vrenja), potem nastopi mehurčkasto vrenje v katerem hočemo imeti čim večji naklon, kar pomeni, da pri manjših pregretjih dobimo višje gostote toplotnega toka, kar je za aplikacije v industrijah zelo pomembno. Iz stališča učinkovitejše rabe energije (manjše pregretje) in manjšega obremenjevanje sistema, ki hkrati efektivnejše odvaja toplotni tok.
Če je naklon krivulje večji lahko to pomeni višji CHF, kar ni res v določenih primerih, vendar pa se v praksi pri strukturah površin, ki imajo manjše pregretje in višji koeficient toplotne prestopnosti tudi izkaže povečanje CHF. Povečan CHF pa v praksi nakazuje višji odvod toplote pri enakem procesu (še ne preidemo v prehodno območje vrenja ali filmsko vrenje).
Torej hočemo čimbolj optimalen proces, kjer glede na pogoje, kar se da izkoristimo zmožnost čim večjega prenosa toplote.
Teoretične osnove in pregled literature