Gradient temperature poteka iz grelnega bloka proti površini, glede na označene vrednosti pa je 1 najbližje površini torej bo imela najnižjo temperaturo.
∆𝑇
∆𝑥 =
𝑇3− 𝑇2
∆𝑥 +𝑇2− 𝑇1
∆𝑥
2 = 𝑇3− 𝑇1 2∆𝑥
(4.1)
Toplotni tok izračunamo iz spremembe temperature po razdalji z upoštevanjem koeficienta toplotne prevodnosti:
Metodologija raziskave
𝑞̇ = 𝜆𝐶𝑢(∆𝑇
∆𝑥) (4.2)
𝜆𝐶𝑢 = 0.000283𝑇2− 0.1646𝑇 + 378.08 (4.3)
Tukaj za spremenljivko T uporabimo aritmetično povprečje vseh treh termoparov.
Ker na površini ne merimo temperature jo je potrebno ekstrapolirati iz znanih podatkov. Za izračun temperature površine smo uporabili meritev temperature termopara najbližje površini (𝑇1) in toplotno prevodnost vzorca (𝜆𝑣𝑧𝑜𝑟), ki je zračunan preko 𝑇1:
𝑇𝑝𝑜𝑣 = 𝑇1−𝑞̇∆𝑥2
𝜆𝑣𝑧𝑜𝑟 (4.4)
∆𝑥2 na progi predstavlja razdaljo od površine do prvega termopara, ki meri 5.3mm.
Potrebujemo še samo površinsko pregretje, ki predstavlja razliko med prej omenjeno ekstrapolirano temperaturo površine in pa dveh temperatur v fluidu, ki jih povprečimo:
𝑇𝑤 − 𝑇𝑠𝑎𝑡 = 𝑇𝑝𝑜𝑣− (𝑇𝐴+ 𝑇𝐵)/2 (4.5)
𝑇𝑤 =𝑇𝐴+ 𝑇𝐵
2 (4.6)
Na koncu pridemo do potrebnega koeficienta toplotne prestopnosti, kot količnik med gostoto toplotnega toka in površinskim pregretjem:
𝛼 = 𝑞̇
𝑇𝑤− 𝑇𝑠𝑎𝑡 (4.7)
Metodologija raziskave
4.3 Merilna negotovost
Na eksperimentalni progi vrenja v bazenu osnovano v Laboratoriju za toplotno tehniko smo upoštevali prispevke merilne negotovosti in formulacije enačb, kakor so predstavljene v delu avtorjev M. Može et al. [5,24]. Vrenje smo v tem delu izvajali na identični eksperimentalni progi zato smo v nadaljevanju pokazali samo končne formule za izračun ključnih negotovosti sistema in rezultate prikazali v tabeli.
Merilna negotovost gostote toplotnega toka
Za izračun merilne negotovosti gostote toplotnega toka so bile ključne izmerjene temperature termoparov, razdalje med njimi, ter koeficient toplotne prevodnosti materiala vzorca:
Ta predstavlja temperaturo termopara najbližjega površini, Tc pa temperaturo termopara najbolj oddaljenega od površine vzorca.
Največkrat uporabljena je negotovost z intervalom zaupanja 95,45 %, torej uporabimo faktor pokritja k=2 za razširjeno merilno negotovost:
𝑈(𝑞̇) = 2𝑢(𝑞̇) (4.9)
Preglednica 4.1: Razširjena merilna negotovost gostote toplotnega toka.
Gostota toplotnega toka [kW/m2] 100 250 500 1000 1500
𝑼(𝒒̇) A3 20,39 9,11 5,88 4,75 4,49
𝑼(𝒒̇) REF 12,16 6,23 4,88 / /
Merilna negotovost pregretja površine
Tukaj smo upoštevali toplotno prevodnost pri izračunu toplotnega toka λq in toplotno prevodnost ekstrapolacije temperature na površini λΔT. Krajevni gradient temperature se je določil preko razdalje termoparov Δxq. T∞ je temperatura zmesi oz. delovnega medija, ΔxΔT
pa predstavlja razdaljo do površine vzorca. Merilno negotovost pregretja površine zapišemo po naslednji enačbi:
Metodologija raziskave
Pri rezultatih razširjene merilne negotovosti pregretja površine smo upoštevali še faktor pokritja 95,45% kako pri enačbi (4.9).
Preglednica 4.2: Razširjena merilna negotovost pregretja površine.
Gostota toplotnega toka [kW/m2] 100 250 500 1000 1500 𝑼(∆𝑻𝒘) A3 0,74 0,80 0,98 1,48 2,07 𝑼(∆𝑻𝒘) REF 0,77 0,93 1,34 / / Merilna negotovost koeficienta toplotne prestopnosti
Na merilno negotovost koeficienta toplotne prestopnosti je vplivala temperatura termoparov, toplotna prevodnost, razdalja do površine in razdalja med termopari, ter temperatura delovnega medija.
Pri preračunih razširjene merilne negotovosti koeficienta toplotne prestopnosti smo upoštevali faktor pokritja k = 2.
Preglednica 4.3: Razširjena merilna negotovost koeficienta toplotne prestopnosti.
gostota toplotnega toka [kW/m2] 100 250 500 1000 1500
𝑼(𝛼) A3 25,89 14,21 10,84 10,53 11,37
𝑼(𝛼) REF 16,63 11,47 11,58 / /
Metodologija raziskave
Iz preglednice 4.1 in preglednice 4.3 razširjene merilne negotovosti opazimo, da se z večanjem gostote toplotnega toka zmanjša merilna negotovost gostote toplotnega toka in negotovost koeficienta toplotne prestopnosti. Iz preglednice 4.2 pa vidimo, da se z višanjem gostote toplotnega toke merilna negotovost povečuje, vendar pa je znatno nižja.
4.4 Meritveni protokol
Priprava eksperimenta vzorca:
Pripravljen vzorec vgradimo v grelni blok in namestimo na spodnjo prirobnico vrelne proge.
Slednjo napolnimo z delovnim fluidom katerega bomo uporabili pri testu in ga počasi segrejemo do stanja vrelišča. Torej za prvi test na novem vzorcu (po zamenjavi) je fluid vedno potrebno ohranjati v stanju vrenja, da se v progi znebimo ostalih plinov. Na površinah lahko ostane tudi plinski film. Delovni fluid tako rekoč razplinjamo približno 45 minut ali več z uporabo potopnih grelnikov, kot tudi grelnega bloka pri nižjih gostotah toplotnega toka. Po pretečenem času razplinjanja smo delovni medij ohladili na temperaturo nižjo za vsaj 10K od temperature vrelišča delovnega medija. Ob doseganju teh temperatur smo lahko zagnali prvi eksperiment vzorca.
Izvedba eksperimenta:
Ob upoštevanju priprave na izvedbo eksperimenta omenjeno prej, smo sedaj lahko ponovno dvignili moč grelnega bloka, da smo dosegli nasičeno stanje delovnega medija. Potopne grelnike smo nastavili na 50W, moč kartušnih grelnikov pa smo počasi povečevali, da smo ujeli čim več meritvenih točk vrelne krivulje in s tem dosegli visoko ločljivost. V konvektivnem režimu vrenja smo najprej povečevali gostoto toplotnega toka le za 0,2 kW m-2 na sekundo in tako bolj natančno ujeli ONB (nastanek mehurčkastega vrenja), ki se je pojavil v novem režimu mehurčkastega vrenja. Tukaj smo gostoto toplotnega toka grelnikov povečevali za približno 2 kW m-2 na sekundo, saj se v tem režimu vrelna krivulja veča z nekim približnim naklonom in nimamo znatnih preskokov. Pomembno je tudi meritev opraviti v kar se da hitrem času, zaradi možnosti spremembe same površine vzorca. Meritev smo izvajali do nastanka CHF (kritične gostote toplotnega toka), kjer se je površina popolnoma prekrila s plinskim filmom in tako ni bila več zmožna odvajati tako visokih toplotnih tokov. Zaradi inženirske pomembnosti smo meritev vedno izvajali samo do CHF in nato popolnoma ugasnili kartušne grelnike kot tudi potopne grelnike. Počakali smo, da se je temperatura vzorca znižala pod temperaturo nasičenja delovnega medija in na tem mestu ustavili zajemanje podatkov eksperimenta. Po enakom postopku smo se lotili naslednjih eksperimentov.
5 Strukturiranje in ovrednotenje površin
Poleg referenčnih vzorcev (»REF«), ki so bili samo brušeni z brusnim papirjem P1200 in P2000 smo strukturirali tudi jedkane vzorce. Jedkane vzorce smo označili kot »A3«. Zaradi pregledov člankov oz. avtorjev kot je Rahman et al. [17], ter tudi dognanj iz laboratorija za toplotno tehniko smo se odločili, da bi testirali samoomočljive fluide tudi na kemično obdelanih vzorcih po metodi iz prej omenjenega članka. Tovrstne nano-igličaste strukture, ki se tvorijo ob jedkanju so izkazale izjemno povišanje CHF in koeficienta toplotne prestopnosti, tudi avtorji Mlakar et al. [25] so prikazali povišanje CHF za 44% in zvišanje koeficienta toplotne prestopnosti za 108%. To metodo, ki je opisana v prej navedenem članku Rahmana in članku avtorja Mlakar, se je izkazala za zelo ponovljivo, kar je pri eksperimentih izjemno pomembno. Zanimalo nas je kakšni bodo rezultati če pri tovrstnih strukturiranih površinah uporabimo samoomočljive fluide in uporabimo njihov efekt samozalivanja.
Za jedkanje smo uporabili naslednje kemikalije:
- 5M HCl
- Plastični nosilec vzorca v čaši - Nosilec ali nastavek vzorca »PEEK«
- Vijaki in matice
- Varnostna oprema (rokavice, plašč, laboratorijska očala...) - Tehtnica
- Grelec - Termometer - Puhalka
Strukturiranje in ovrednotenje površin