4.5 Primerjava karakterističnih vrednosti rasti mehurčkov
Ravno tako kot se pojavijo razlike v lokalni porazdelitvi toplotnega toka med vodo in uporabljeno zmesjo, se kažejo tudi razlike glede gostote nukleacijskih mest, frekvenc nukleacij, velikosti odtisov mehurčkov in časov rasti mehurčkov.
Gostote nukleacijskih mest so bile pri meritvah zelo različne. Pri vrenju v vodi smo imeli manjšo število nukleacijskih mest skozi meritev, pri čemer so bila ta mesta sorazmerno enakomerno aktivna. V primeru vrenja v raztopini kalcijevega karbonata je bilo več nukleacijskih mest, pri čemer pa je bil raztros frekvence nukleacij in velikosti mehurčkov med posameznimi mesti velik. V primeru frekvence nukleacij v obravnavanem območju eksperimentalnih pogojev ni zaznati jasnega trenda s povprečno gostoto toplotnega toka in časom trajanja eksperimenta, predvsem zato, ker sta frekvenca nukleacij in gostota aktivnih nukleacijskih mest med seboj tesno povezani – s povečevanjem gostote nukleacijskih mest se lahko povprečna frekvenca nukleacij v nekem trenutku zmanjša kljub povečanju gostote toplotnega toka.
Rezultati in njihova primerjava
Pri vrenju vode so bili odtisi mehurčkov v povprečju za 68 % večji kot v primeru vrenj zmesi, hkrati pa je bila tudi višja nukleacijska temperatura za približno 2 K. To kaže, da kalcijev karbonat v zmesi zmanjšuje pregretje za nastanek novih mehurčkov, kar lokalno predstavlja povečanje koeficienta toplotne prestopnosti. Časi rasti in odcepitve mehurčka ter časi čakanja na nov mehurček so bili krajši pri raztopini kalcijevega karbonata.
Potencialni razlogi za te razlike so lahko kristali kalcijevega karbonata, ki se lahko nahajajo v pregreti mejni plasti znotraj fluida in na sami površini. Ti kristali povečajo možnost za nastanek parne zasnove in s tem pojav nukleacije mehurčkov. Zaradi stohastične narave gibanja teh kristalnih struktur in njihovega nastajanja pa prihaja do spremembe lokacij nukleacijskih mest in večjemu raztrosu meritev v primeru vrenja zmesi.
Zaradi omejene ločljivosti meritev nestacionarnih temperaturnih polj z IR-kamero sicer ni možno dokončno dokazati teh zaključkov. Z razvojem novih temperaturnih merilnih tehnik, ki omogočajo submikronsko ločljivost merjenja [25,26], bo tovrstne ugotovitve možno tudi eksperimentalno podkrepiti.
48
5 Zaključek
V sklopu zaključne naloge smo eksperimentalno ovrednotili proces vrenja vode ter zmesi kalcijevega karbonata in vode pri treh različnih gostota toplotnega toka in treh različnih dolžinah trajanja procesa vrenja. Hitrotekoča termografska kamera je bila uporabljena za merjenje nestacionarnih temperaturnih polj tanke folije, kjer je potekalo vrenje. Meritve so bile nato obdelane v okolju Matlab z namenom pridobitve informacij o porazdelitvah lokalne gostote toplotnega toka ter ključnih parametrov vrenja, kot so frekvence nukleacij, porazdelitve aktivnih nukleacijskih mest, velikosti odtisov mehurčkov in čas rasti mehurčkov.
Rezultati kažejo, da prihaja pri vrenju zmesi vode in kalcijevega karbonata do izrazitega raztrosa pri porazdelitvah lokalne gostote toplotnih tokov in nehomogenosti v fazi rasti mehurčkov v primerjavi s čisto vodo. Prav tako prihaja pri zmeseh relativno glede na povprečne vrednosti do večjega raztrosa frekvenc nukleacij, lokacij aktivnih nukleacijskih mest, časov rasti mehurčkov in premerov odtisov mehurčkov (področje med mehurčkom in vrelno površino v času njegove rasti). Ugotovljeno je tudi, da so nukleacijske temperature v povprečju okoli 3.5 K nižje pri zmeseh, kar pomeni tudi višje lokalne koeficiente toplotnih prestopnosti v fazi rasti mehurčkov. Možni razlogi za izmerjene razlike med vodo in zmesjo so v lokalnih gradientih in nehomogenostih ter s tem povezanih spremenjenih fizikalnih lastnostih zmesi glede na čisto vodo, predvsem v neposredni bližini aktivnih nukleacijskih mest. Možno je tudi, da prihaja do periodičnega odlaganja in odnašanja kristalov kalcijevega karbonata iz vrelne površine zaradi česar se spreminjajo pogoji za pojav nukleacije, spreminja pa se tudi termična upornost vrelne površine. Za dodatno potrditev teh zaključkov je potrebno v prihodnje narediti video analizo procesa vrenja z ustrezno časovno in krajevno ločljivostjo. Z razvojem tehnik za merjenje temperature s submikronsko krajevno ločljivostjo pa bo možno v prihodnje še bolj natančno analizirati temperaturna polja na točnih lokacijah aktivnih nukleacijskih mest in ugotoviti vzroke za razlike pri uporabi različnih delovnih fluidov.
Rezultati naših meritev so uporabni kot vhodni podatki za delitev oziroma particioniranje toplotnega toka, kar smo razložili tudi v okviru teoretičnega ozadja te naloge. Na podlagi delitve toplotnega toka je možno analizirati doprinos različnih mehanizmov, ki botrujejo pri odvodu toplote med vrenjem in tudi razvijati modele za napovedovanje procesa vrenja.
Poleg tega je razumevanje vrenja zmesi vode in kalcijevega karbonata ter časovno spreminjanje karakteristik vrenja pomembno iz praktičnega vidika, saj se kalcij v različnih
Zaključek
oblikah odlaga na grelnih elementih ter povzroča okvare in s tem povezane stroške za končne uporabnike.
50
Literatura
[1] R.L. Judd, K.S. Hwang: A comprehensive model for nucleate pool boiling heat transfer including microlayer evaporation. Journal of Heat Transfer 98 (1976).
[2] N. Kurul, M.Z. Podowski: Multidimensional effects in forced convection subcooled boiling.in: 2019.
[3] M.Z. Podowski, R.M. Podowski: Mechanistic multidimensional modeling of forced convection boiling heat transfer. Science and Technology of Nuclear Installations 2009 (2009).
[4] N. Basu, G.R. Warrier, V.K. Dhir: Wall heat flux partitioning during subcooled flow boiling: Part 1 - Model development. Journal of Heat Transfer 127 (2005).
[5] C. Gerardi, J. Buongiorno, L. wen Hu, T. McKrell: Study of bubble growth in water pool boiling through synchronized, infrared thermometry and high-speed video.
International Journal of Heat and Mass Transfer 53 (2010).
[6] S.H. Kim, G.C. Lee, J.Y. Kang, K. Moriyama, H.S. Park, M.H. Kim: Heat flux partitioning analysis of pool boiling on micro structured surface using infrared visualization. International Journal of Heat and Mass Transfer 102 (2016).
[7] L. Gilman, E. Baglietto: A self-consistent, physics-based boiling heat transfer modeling framework for use in computational fluid dynamics. International Journal of Multiphase Flow 95 (2017).
[8] A. Richenderfer, A. Kossolapov, J.H. Seong, G. Saccone, E. Demarly, R.
Kommajosyula, E. Baglietto, J. Buongiorno, et al.: Investigation of subcooled flow boiling and CHF using high-resolution diagnostics. Experimental Thermal and Fluid Science 99 (2018).
[9] M. Zupančič: Razvoj bifilnih strukturiranih površin za izboljšan prenos toplote pri vrenju: doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, 2017.
[10] A.M. Helmenstine: Why Adding Salt to Water Increases the Boiling Point. (2020).
https://www.thoughtco.com/adding-salt-increases-water-boiling-point-607447.
[11] Y.Y. Hsu: On the size range of active nucleation cavities on a heating surface.
Journal of Heat Transfer 84 (1962).
[12] S. Kandlikar, V. Mizo, M. Cartwright: Bubble nucleation and growth characteristics in subcooled flow boiling of water. American Society of Mechanical
Engineers (ASME) (1997).
[13] J. Petkovsek, Y. Heng, M. Zupancic, H. Gjerkes, F. Cimerman, I. Golobic: IR thermographic investigation of nucleate pool boiling at high heat flux. International Journal of Refrigeration 61 (2016).
[14] M. Arik, A. Bar-Cohen: Effusivity-based correlation of surface property effects in pool boiling CHF of dielectric liquids. International Journal of Heat and Mass Transfer 46 (2003).
[15] F. Demiray, J. Kim: Microscale heat transfer measurements during pool boiling of FC-72: Effect of subcooling. International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004).
[16] T. Yabuki, O. Nakabeppu: Microscale wall heat transfer and bubble growth in single bubble subcooled boiling of water. International Journal of Heat and Mass Transfer 100 (2016).
[17] S. Jung, H. Kim: An experimental method to simultaneously measure the dynamics and heat transfer associated with a single bubble during nucleate boiling on a horizontal surface. International Journal of Heat and Mass Transfer 73 (2014).
[18] R.L. Mohanty, M.K. Das: A critical review on bubble dynamics parameters influencing boiling heat transfer. Renewable and Sustainable Energy Reviews 78 (2017).
[19] Y. Koizumi, M. Shoji, M. Monde, Y. Takata, N. Nagai: Boiling: Research and advances, Japan Atomic Energy Agency, Tokai, Japan, 2017.
[20] M.S. Abd-Elhady, M.R. Malayeri: Transition of convective heat transfer to subcooled flow boiling due to crystallization fouling. Applied Thermal Engineering 92 (2016).
[21] M.R. Malayeri, H. Müller-Steinhagen, T.H. Bartlett: Fouling of tube bundles under pool boiling conditions. Chemical Engineering Science 60 (2005).
[22] S. Dash, L. Rapoport, K.K. Varanasi: Crystallization-Induced Fouling during Boiling: Formation Mechanisms to Mitigation Approaches. Langmuir 34 (2018).
[23] I. Berce, J.; Zupančič, M.; Može, M.; Golobič: A Review of Crystallization Fouling in Heat Exchangers. Processes (2021) str. 24.
[24] EA Laboratory Committee: Evaluation of the Uncertainty of Measurement in Calibration. (2013).
[25] I. Sedmak, I. Urbančič, R. Podlipec, J. Štrancar, M. Mortier, I. Golobič: Submicron thermal imaging of a nucleate boiling process using fluorescence microscopy.
Energy 109 (2016).
[26] I. Sedmak, I. Urbančič, J. Štrancar, M. Mortier, I. Golobič: Transient submicron temperature imaging based on the fluorescence emission in an Er/Yb co-doped glass-ceramic. Sensors and Actuators, A: Physical 230 (2015).