Vpliv koncentracije n-butanola v vodni raztopini na izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv koncentracije n-butanola v vodni raztopini na izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju

Magistrsko delo magistrskega študija programa II. Stopnje Strojništvo

Aljaž Nemanič

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv koncentracije n-butanola v vodni raztopini na izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju

Magistrsko delo magistrskega študija programa II. Stopnje Strojništvo

Aljaž Nemanič

Mentor: prof. dr. Iztok Golobič, univ. dipl. inž.

Somentor: doc. dr. Matevž Zupančič, mag. inž. str.

Ljubljana, september 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Iztoku Golobiču in somentorju doc. dr. Matevžu Zupančiču za pomoč in usmerjanje tekom nastajanja magistrskega dela.

Velika zahvala gre prijatelju in asist. dr. Maticu Možetu za neizmerno pomoč pri vseh laboratorijskih opravilih, strukturiranju naloge in obdelavi podatkov.

Seveda se zahvaljujem tudi ostalemu osebju Laboratorija za toplotno tehniko za pomoč pri eksperimentalnem delu, dr. Ivo Sedmaku in tehničnemu sodelavcu Nejcu Mlakarju.

Dodatna zahvala gre vsem znancem, ki so me tekom izvajanja spodbujali in verjeli vame.

Nenazadnje pa zahvalo dolgujem staršema, ki sta mi omogočila študij, me podpirala od prvega dneva in mi stala ob strani ne glede na prepreke.

(10)

(11)

(12)

(13)

Izvleček

UDK 536.24:66.046.7(043.2) Tek. štev.: MAG II/844

Vpliv koncentracije n-butanola v vodni raztopini na izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju

Aljaž Nemanič

Ključne besede: mehurčkasto vrenje izboljšan prenos toplote vrelna krivulja

kritična gostota toplotnega toka samoomočljivi fluidi

koeficient toplotne prestopnosti jedkane površine

V delu obravnavamo vpliv koncentracije n-butanola v vodni zmesi s samoomočljivostnimi lastnostmi na izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju. Ta vpliv obravnavamo tako na mehansko obdelanih površinah kot tudi na jedkanih površinah. Analizo lastnosti površine vzorcev smo opravili z merjenjem kota omočenja, SEM posnetki in Ramansko spektroskopijo. Na merilni progi Laboratorija za toplotno tehniko za vrenje v bazenu pod pogojih atmosferskega tlaka smo izvedli eksperimentalno ovrednotenje prenosa toplote pri vrenju z dvakrat destilirano vodo in z zmesjo dvakrat destilirane vode in n-butanola pri več različnih koncentracijah. Pri tem smo beležili vrelne krivulje in ostale parametre za ovrednotenje prenosa toplote pri vrenju. Pri uporabi redestilirane vode smo na brušenih površinah dosegli kritične gostote toplotnega toka do 1285 kW m^-2, koeficienti toplotne prestopnosti so dosegli vrednosti 54.7 kW m^-2K^-1, na jedkanih površinah pa smo dosegli kritične gostote toplotnega toka do 1836 kW m^-2 in koeficiente toplotne prestopnosti do 62.2 kW m^-2K^-1. Z uporabo samoomočljivih fluidov smo pri vrenju na brušenih površinah uspeli dvigniti kritično gostoto toplotnega toka v primerjavi z redestilirano vodo, na jedkanih površinah pa so samoomočljivi fluidi poslabšali vrelno krivuljo zaradi spremembe površine pri intenzivnem vrenju, kar smo opazili iz posnetkov SEM analiz. Po večkratnem testiranju na enem vzorcu se je pri vrenju na brušenih površinah vrelna krivulja izboljšala, medtem ko se je na jedkanih površinah poslabšala. Na podlagi analize površin vzorcev po izpostavljenosti vrenju samoomočljivega fluida ocenjujemo, da je prišlo do kemične reakcije bakrenih spojin na površini vzorca z n-butanolom.

(14)

(15)

Abstract

UDC 536.24:66.046.7(043.2) No.: MAG II/844

Influence of n-butanol in aqueous solution on enhanced nucleate boiling heat transfer.

Aljaž Nemanič

Key words: nucleate boiling enhanced heat transfer boiling curves

critical heat flux self-rewetting fluid heat transfer coefficient etched surfaces

The present work investigates the influence of a self-rewetting n-butanol aqueous solution on enhanced nucleate boiling heat transfer. This influence was investigated on mechanically treated surfaces and on etched surfaces. Surface characteristics were evaluated through SEM imaging, by measurement of contact angle and Raman spectroscopy. Pool boiling experimental setup constructed by the Laboratory for thermal technology was used to determine the boiling heat transfer characteristics of treated surfaces during saturated boiling of pure water and self-rewetting fluid at various concentrations. During experiments we recorded boiling curves and other relevant data to evaluate the boiling performance. Critical heat flux using pure water on mechanically treated surfaces reached up to 1285 kW m^-2 and up to 1836 kW m^-2 on etched surfaces, while the heat transfer coefficients reached 54.7 kW m^-2K^-1 and 62.2 kW m^-2K^-1, respectfully. By using self-rewetting fluids on mechanically treated surfaces we reached higher critical heat fluxes, while boiling of such fluids on etched surfaces resulted in lower critical heat fluxes than achieved with pure water. Through SEM imaging we observed changes of the surface after boiling of self-rewetting fluids on both surfaces. We estimate that a chemical reaction of copper compounds with n-butanol took place on the boiling surfaces.

(16)

(17)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 5

2.1 Mehurčkasto vrenje v bazenu ... 5

2.1.1 Vrelna krivulja ... 6

2.2 Vplivni parametri na prenos toplote pri vrenju ... 8

2.2.1 Kot omočenja in omočljivost gretih površin ... 10

2.2.2 Vpliv kota omočenja na proces vrenja ... 13

2.3 Samoomočljivi fluidi ... 18

2.4 Modeli za popis fenomena vrenja... 21

2.4.1 Čiste snovi ... 21

2.4.2 Večkomponentne zmesi ... 23

3 Pregled literature ... 31

4 Metodologija raziskave ... 41

4.1 Vzorci in materiali ... 41

4.2 Merilna proga za vrenje v bazenu... 42

4.3 Merilna negotovost ... 46

4.4 Meritveni protokol ... 48

5 Strukturiranje in ovrednotenje površin ... 49

5.1 Analiza strukture površine ... 51

6 Rezultati vrenja na razvitih površinah ... 53

6.1 Vrenje v bazenu z redestilirano vodo ... 53

6.2 Vrenje v bazenu s samoomočljivimi fluidi ... 57

(18)

7 Zaključki ... 67

Literatura ... 69

(19)

Kazalo slik

Slika 2.1: Potek vrelne krivulje. ... 6 Slika 2.2: Prikaz teoretičnih izboljšav vrelne krivulje. ... 7 Slika 2.3: Prikaz ravnotežja površinskih sil (a), ter maksimalen in minimalen primer (b,c). Povzeto

po [4]. ... 10 Slika 2.4: Stanja med obema modeloma povzeto po [5]. ... 12 Slika 2.5: Hipotetični stik med kapljevino in površino povzeto po [6]. ... 12 Slika 2.6: (a) Shematski prikaz manjšega in večjega mehurčka z različnim kotom omočenja, (b)

Premeri odcepitve mehurčkov v odvisnosti od kota omočenja, (c) frekvence nukleacij v

odvisnosti od kota omočenja. Povzeto po [9]. ... 15 Slika 2.7: Koeficient toplotne prestopnosti v odvisnosti od kota omočenja. Povzeto po [9]. ... 16 Slika 2.8: (a) mikro in makro kot pri stiku treh faz, (b) efekt mikro kota in sil, ki se pri tem pojavijo

na rast in odcepitev mehurčka, (c) grafični prikaz poti tega efekta. Povzeto po [9]. ... 17 Slika 2.9: Nova korelacija predvidevanja premera odcepitve mehurčka. Povzeto po [9]. ... 18 Slika 2.10: Graf površinske napetosti v odvisnosti od temperature; levo so predstavljeni

monofluidi, desno pa samoomočljivi in butanol. Povzeto po [12]. ... 19 Slika 2.11: Primer Marangonijevega efekta na vinu v čaši. ... 20 Slika 2.12: Primer Marangonijevega efekta na papirčku na vodi. ... 20 Slika 2.13: Prikaz efekta Marangonijevega toka glede na delovni fluid (a) in odvisnost termičnega

Marangonijevega števila oz. termokapilarnega toka s temperaturo fluida (b). Povzeto po [12].

... 21 Slika 2.14: Padec koeficienta toplotne prestopnosti. Povzeto po [15]. ... 24 Slika 2.15: Fizikalne lastnosti variacij z zmesjo etanol-voda (a) in metanol-etanol (b). Povzeto

po [16]. ... 25 Slika 2.16: Variacije meritev koeficienta toplotne prestopnosti pri različnih koncentracijah zmesi

in gostotah toplotnega toka, skupaj z variacijami temperaturnega območja vrenja ΔTbp in |X1- Y1| pri metanolu in vodi (a) in etanolu in vodi (b). Povzeto po [16]. ... 26 Slika 2.17: Maksimalno pregretje za binarno zmes. Povzeto po [15]. ... 29 Slika 3.1: SEM slika CuO struktur bakrenega vzorca (a) primerjava vrelnih krivulj (b) in

koeficientov toplotne prestopnosti (c). Povzeto po [17]. ... 32 Slika 3.2: Posnetek vrenja vode pri različnih gostotah toplotnega toka (a) 0.1 MW/m2 (b) 0.36

MW/m2 (c) 0.69 MW/m2 (d) 0.85 MW/m2 in posnetek vrenja samo-omočljivega fluida 0.1 wt% raztopine heptanola pri različnih gostotah toplotnega toka (e) 0.35 MW/m2 (f) 1.00 MW/m2 (g) 1.50 MW/m2 (h) 2.08 MW/m2. Povzeto po [18]. ... 33 Slika 3.3: Vrelni krivulji delovnih fluidov (A) in koeficient toplotne prestopnosti v odvisnosti od

toplotnega toka (B). Povzeto po [18]. ... 33 Slika 3.4: Gostota toplotnega toka 0.9 MW/m2 – (a) voda, (b) 5 wt% etanol in (c) 5 wt% butanol.

Povzeto po [12]. ... 34 Slika 3.5: Relacija med površinsko napetostjo in temperaturo različnih fluidov. Povzeto po [12]. 34 Slika 3.6: Prikaz efekta marangonijevega toka glede na delovni fluid (a) in odvisnost termičnega

marangonijevega števila s temperaturo fluida (b). Povzeto po [12]. ... 34 Slika 3.7: Prikaz multi-curkov v n-butanol raztopini. Povzeto po [20]. ... 35

(20)

Slika 3.8: Tranzientni pojav majhnih mehurčkov glede na vsebnost n-butanola. Povzeto po [20]. 35

Slika 3.9: Tokovi pri monofluidu (zgoraj) in samoomočljivem fluidu (spodaj). Povzeto po [20]. .. 36

Slika 3.10: Hitrostno in temperaturno polje monofluida (levo) in samo-omočljivega fluida (desno). Povzeto po [20]. ... 36

Slika 3.11: Na sliki levo je predstavljen posnetek površine pred vrenjem (a,c) in po vrenju (b,c). Povzeto po [21]. ... 37

Slika 3.12: Vrelni podatki vode in samoomočljivega fluida (voda-heptanol) na bakreni in bakreni površini z nanovlakni. Povzeto po [21]. ... 38

Slika 3.13: Leva slika prikazuje kontaktne kote pred in po vrenju, desna pa posnetek primerjave vode (a) s samoomočljivim fluidom – 2% n-butanol (b). Povzeto po [23]. ... 39

Slika 3.14: Graf A prikazuje gostoto toplotnega toka v vrstici 50x50 mikrometrskih mikrokanalih pri 0.5 ml/min, graf B pa pri vrstici 25x25 mikrometrskim mikrokanalih pri 0.2 ml/min. Povzeto po [23]. ... 39

Slika 4.1: Shematski prikaz geometrije in dimenzij vzorca. ... 42

Slika 4.2: Shematska slika zajemov podatkov vrelne eksperimentalne proge. Povzeto po [5]. ... 42

Slika 4.3: Prerez in prikaz delov grelnega bloka levo in sestava bloka desno na sliki. ... 43

Slika 4.4: Model vrelne eksperimentalne proge. ... 44

Slika 5.1: Raztopina za jedkanje vzorca na grelni plošči s kontrolo temperature preko termopara. ... 50

Slika 5.2: Prikaz dejanskega jedkanega vzorca A3 samostojno in na grelnem bloku. ... 50

Slika 5.3: SEM posnetki jedkane površine pred vrenjem. ... 51

Slika 5.4: SEM posnetki referenčne bakrene površine pred vrenjem. ... 52

Slika 6.1: Vrelna krivulja referenčnega vzorca ponovljena 13x do CHF. ... 54

Slika 6.2: Prikaz začetka mehurčkastega vrenja z redestilirano vodo na REF površini. ... 55

Slika 6.3: Vrenje REF vzorca z redestilirano vodo pri kritični gostoti toplotnega toka. ... 55

Slika 6.4: Vrelna krivulja A3 vzorca ponovljena 12x.. ... 56

Slika 6.5: Vrednosti koeficienta toplotne prestopnosti in pregretje površine pri različnih gostotah toplotnega toka. ... 57

Slika 6.6: Vrelna krivulja po staranju s koncentracijo samoomočljivega fluida 1,2 in 3 wt% butanola (a) in ponovne meritve 2x z redestilirano vodo ter samoomočljivim fluidom 2,4 in 6 wt% butanola. ... 58

Slika 6.7: Vrelna krivulja dveh setov ponovitev na jedkani površini A3 z redestilirano vodo in samoomočljivim fluidom. ... 59

Slika 6.8: Vrelne krivulje REF in A3 vzorca z redestilirano vodo pred in po uporabi samoomočljivega fluida. ... 60

Slika 6.9: Vrenje REF in A3 vzorcev z redestilirano vodo pred uporabo samoomočljivega fluida in po le tem... 60

Slika 6.10: Primerjava vrelnih krivulj REF in A3 površin z uporabo samoomočljivega fluida koncentracije butanola 2% in 4% in ponovitev po vmesnem vrenju redestilirane vode. ... 61

Slika 6.11: Vrenje REF in A3 površin z uporabo samoomočljivega fluida koncentracije butanola 2% in 4% in ponovitev po vmesnem vrenju redestilirane vode. ... 61

Slika 6.12: Posnetek vrenja REF površine z destilirano vodo, 1% in 6% vsebnosti samoomočljivega fluida. ... 62

Slika 6.13: Posnetek vrenja 3% vsebnosti butanola na REF in A3 površini. ... 63

(21)

Slika 6.14: SEM posnetki jedkane površine po vrenju s samoomočljivim fluidom (n-butanol – voda). ... 63 Slika 6.15: SEM posnetki referenčne bakrene površine po 10x vrenju s samoomočljivim fluidom. 63 Slika 6.16: Raman spekter vzorca A3 pred (a) in po vrenju s samoomočljivim fluidom (b). ... 64

(22)

(23)

Kazalo preglednic

Preglednica 4.1: Razširjena merilna negotovost gostote toplotnega toka. ... 46 Preglednica 4.2: Razširjena merilna negotovost pregretja površine. ... 47 Preglednica 4.3: Razširjena merilna negotovost koeficienta toplotne prestopnosti. ... 47

(24)

(25)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

𝑞̇ kW m^-2 gostota toplotnega toka

∆𝑇_𝑖𝑑 °C, K idealna temperatura pregretja

A m² površina

a m²s^-1 toplotna difuzivnost

c / koncentracija

C0 / faktor skaliranja

CHF kW m^-2 kritična gostota toplotnega toka cp J kg^-1K^-1 izobarna specifična toplota

Csf / koeficient stanja površine

Dd mm Premer odcepitve mehurčka [en. (2.12)]

ds / razmerje med dejansko in idealno omočeno

površino pod mehurčkom

F N sila

Fα / degradacijski faktor

Fc / korekcijski faktor intenzitete vrenja

fn s^-1 frekvenca nukleacij

g m s^-2 težnostni pospešek

hLG J kg^-1 uparjalna toplota

K / konstanta v Zuberjevi enačbi [en. (2.17)]

Pr / prandtlovo število

r m radij

r / faktor hrapavosti [en. (2.4)]

S^' / stopnja omočenja

T °C, K temperatura

t s čas

Tb °C, K temperatura nastanka prvega mehurčka

Td °C, K temperatura delovnega fluida

Tsat °C, K temperatura nasičenja

Tw °C, K temperatura grelne površine

u / merilna negotovost

U razširjena merilna negotovost

V m³ volumen

xi / molski delež komponente

α W m^-2K^-1 koeficient toplotne prestopnosti

βl / koeficient masnega prenosa kapljevinske faze

Δp Pa, bar sprememba tlaka

ΔT °C, K sprememba temperature

Δx mm razdalja med dvema lokacijama

θ °

θ^' ° navidezni tok omočenja

θr ° kot omočenja pri umikanju kapljice

λ W m^-1K^-1 koeficient toplotne prevodnosti

μ Pa s dinamična viskoznost

(26)

Oznaka Enota Pomen

ρ kg m^-3 gostota

σ N m^-1 površinska napetost

𝛾 / lastnost čiste komponente

𝜗 / horizontalna smer

Indeksi

b mehurček

CHF kritična gostota toplotnega toka

d delovni fluid

g plin

i komponenta

id idealno

l kapljevina

LG kapljevina-plin

max maksimalna vrednost

min minimalna vrednost

q gostota toplotnega toka

r relativno

ref referenca

s trdnina

sur površina

sat nasičenje

SG trdnina-plin

SL trdnina-kapljevina

w površina vzorca

(27)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

HTC koeficient toplotne prestopnosti (ang. Heat Transfer Coefficient) MEB mikromehurčkasto vrenje (ang. Microbubbles Emission Boiling) ONB nastanek mehurčkastega vrenja (ang. Onset of Nucleate Boiling) PEEK polieter eter keton

SEM vrstični elektronski mikroskop (ang. Scanning Electron Microscope) TCL linija treh faz mehurčka (angl. Triple Contact Line)

UV ultravijolično valovanje

(28)

(29)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Ko govorimo o napredku v tehnologiji elektronike govorimo predvsem o procesorju tj.

procesorski moči elektronske komponente. Sama moč je pogojena z gostoto tranzistorjev in velikostjo samega čipa. Definitivno bolj spreminjajoč parameter ostaja gostota tranzistorjev;

lahko pogledamo Moore-ov zakon, ki pravi, da se število tranzistorjev v čipu podvoji za vsake dve leti. Ne vemo ali bo ta zakon še trden tudi v prihodnosti, vendar so že trenutne visoko-tehnološke komponente s konvencionalnimi ohlajevalnimi procesi na robu zmožnosti odvajanja tako visoke gostote toplotnega toka. Tako kot v računalniško- elektronskih vezjih se tudi v elektrarnah in mnogih zahtevnih industrijskih postrojenjih vse pogosteje uporablja konvektivni prenos toplote s fazno spremembo oz. vrenje. Le to ima zaradi prenosa toplote s fazno spremembo mnogo višje koeficiente toplotne prestopnosti in zmore odvesti zelo velike gostote toplotnih tokov pri že majhnih temperaturnih razlikah. To zmožnost se k večji meri pripisuje latentni toploti medija, ki potrebuje veliko več energije za prehod v drugo fazo, kakor senzibilna toplota. Proces vrenja pa je zelo kompleksen pojav z veliko spremenljivkami, ki jih težko nadzorujemo. Pri uporabi procesa vrenja je poglavitna površina s katere hočemo odvesti toplotni tok in pa medij, ki je poglavitni nosilec tega toplotnega toka pri procesu vrenja.

Izboljšave velikokrat zajemajo modifikacijo površine; sprememba hrapavosti površine, struktura površine (mikro/nano), kemična sprememba površine (reakcija na površini), filmski premazi površin itd. Lahko pa zajemajo tudi modifikacijo delovnega medija oz.

delovnega fluida, ki lahko pri tako visoki aktivnosti kot je vrenje pripomore k bolj učinkovitejšem odvajanju toplote. Pri konvektinem prenosu toplote s fazno spremembo je ključnih več lastnosti, kot je interakcija med samo površino in fluidom, pojav zgodnjega mehurčkastega vrenja, veliko nukleacijskih mest po celi površini in zalivanje suhih mest.

Takšne efekte lahko dosežemo z uporabo modificiranih fluidov preko dodajanja nanodelcev (aditivov) ali pa z uporabo binarnih ali večkomponentnih zmesi. Ena izmed takšnih zmesi so t. i. samoomočljive zmesi, ki so zelo uporabne zaradi anomalije površinske napetosti pri višjih temperaturah. Pojav, ki tu nastopi je imenovan Marangonijeva konvekcija.

Samoomočljivi fluidi so se izkazali za uporabne pri toplotnih ceveh po avtorjih H. Yu et al. [1,2]. Izvedli so eksperimente za zemeljsko in mikro gravitacijo za uporabo v vesolju s cevnimi toplotnimi cevmi, tankimi ploščnimi toplotnimi cevmi, fleksibilnimi sevalnimi

(30)

Uvod

paneli. Samoomočljivi fluidi so se izkazali za boljše od čistih snovi. Izkazujejo večji odvod toplotnega toka in manjši termični upor, imajo nižjo točko tališča in ne potrebujejo stenja v toplotnih ceveh, ker imajo večji kapilarni tok.

1.2 Cilji

Izboljšave mehurčkastega vrenja ali vrelne krivulje se lahko pojavijo tudi pri uporabi posebnih večkomponentnih zmesi. V tej temi raziskujemo zmes vode in n-butanola (t.i.

samo-omočljiv fluid), saj ima posebno lastnost površinske napetosti glede na temperaturo.

Pri vodi površinska napetost pada s temperaturo, medtem ko se ta z mešanico nekaterih koncentracij n-butanola veča z višanjem temperature. To je eden izmed glavnih razlogov, ki privede do t. i. samo-zalivanja površine pri nasičenem vrenju. Verjamemo, da se bo zaradi teh lastnosti izboljšala vrelna krivulja (višji CHF, manjša pregretja površine, višji koeficient toplotne prestopnosti). Pri uporabi referenčne oz. samo brušene površine smo hoteli pokazati, kako se vrelna krivulja zboljša s koncentracijo n-butanola v vodi.

Ker smo iz prejšnjih raziskav videli izboljšanje vrelne krivulje pri kemično obdelanih - jedkanih površinah, pa smo se odločili strukturirati tudi svoje jedkane površine in jih preveriti z vrenjem samo-omočljivega fluida. Uporabili smo bakrene površine zaradi zelo visoke toplotne prehodnosti in cenovne ugodnosti.

Namen naloge je bil določiti vpliv koncentracije n-butanola v vodni raztopini na izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju. Pri tem smo zasledovali naslednje cilje:

- pregled literature na področju samoomočljivih fluidov za izboljšan prenos toplote pri vrenju in vplivu interakcije z referenčnimi in jedkanimi površinami,

- razvoj referenčnih in jedkanih površin za izboljšan prenos toplote pri vrenju,

- ovrednotenje referenčnih in jedkanih površin z uporabo vrstične elektronske mikroskopije in merjenjem kotov omočenja,

- izvedba preskusov na eksperimentalni progi za mehurčkasto vrenje v bazenu z vodo in samoomočljivimi fluidi na referenčni in jedkani površini s pridobivanjem vrelne krivulje in podatkov potrebnih za obdelavo rezultatov,

- izračun ključnih parametrov prenose toplota na eksperimentalnih površinah,

- analiza vpliva samo-omočljivega fluida na referenčnih in jedkanih površinah in identifikacijo trenda glede na koncentracijo.

Na začetku predstavljamo uvodna izhodišča teorije vrenja, samoomočljivih fluidov, vseh lastnosti površine in lastnosti površine z interakcijo fluida, ter osnove prenosa toplote.

Predstavljeni so tudi modeli napovedi obnašanja površin pri prenosu toplote z vrenjem. V nadaljevanju predstavimo pregled člankov na temo vrenja v bazenu, samoomočljivih fluidov in različnih metodologij na katere se lahko sklicujemo. Pri metodologiji raziskave predstavimo eksperimentalno progo, načine obdelave vzorcev, uporabljene metode za raziskavo, merilno negotovost proge, protokoli izvedbe meritve itd. V rezultatih pokažemo lastnosti grelnih površin, rezultate meritev parametrov vrelne krivulje ni izračune iz dobljenih podatkov. Po tem vse rezultate primerjamo in objektivno diskutiramo z

(31)

Uvod

referencami dognanih iz literature. Na koncu povzamemo vsebino naloge, postavimo v ospredje ključne rezultate ali izboljšanja in podamo predloge za nadaljnje delo.

(32)

Uvod

(33)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Mehurčkasto vrenje v bazenu

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.)

(34)

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 (T_w) in temperaturo delovnega fluida (T_d).

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

(35)

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

𝑇_𝑤 − 𝑇_𝑑[ 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 (𝑇_𝑤− 𝑇_𝑑). 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.

(36)

2.2 Vplivni parametri na prenos toplote pri vrenju

Vrenje je eden izmed najbolj raziskovanih pojavov, a kljub temu še zdaleč ni raziskovan do popolnosti. Tako kompleksen pojav kot vrenje je zahteven iz vidika pojavov na nanoskali (mesta nastanka mehurčkov, velikost površine, smer vrhov površine itd.) na katerega izjemno težko vplivamo oz. sploh ne moremo. Nobena površina vzorca ne bo izkazovala iste topografije, kar pomeni slabo ponovljivost glede na velik vpliv najmanjših skal procesa.

Vsak vzorec pred vstavitvijo in začetkom vrenja drugače spreminja svoje lastnosti in se na njega veže več ali manj onesnaževalcev na drugačnih mestih. Če uporabljamo dvokomponentno zmes je vprašanje koliko ene zmesi na začetku pride v stik s površino in kakšno reakcijo to povzroči. Iz veliko raziskav je razvidno kako velik raztros podatkov je prisoten zaradi kompleksnosti in nezmožnosti popolne kontrole nad eksperimenti z vrenjem.

Vsaka eksperimentalna proga tudi pokaže svoje rezultate, ki pa so spet odvisni od svoje zasnove, število vplivnih parametrov, umerjanja, natančnosti izdelave, protokola meritve itd.

Simulacije takšnega kalibra so izjemno težke in drage, ter ne izkazujejo dovolj točnih primerjav, kar pomeni, da je eksperimentiranje na primerljivi progi z aplikativno najboljši približek.

Na vrenje vpliva veliko parametrov, ki tudi vplivajo eni na drugega, lahko pa jih razdelimo v štiri večje skupine:

1) Lastnosti grelne oz. vrelne površine (orientacija, geometrija, fizikalne lastnosti, topografske lastnosti, morfološke lastnosti)

2) Pogoji okolice (gravitacija, tlak, magnetna in električna polja)

3) Lastnosti delovnega medija (termodinamične, transportne, lastnosti blizu in daleč grelnega telesa, površinska napetost)

4) Interakcija med grelno površino in delovnim medijem (omočljivost, kapilarni vlek, adsorpcijske lastnosti, gostota aktivnih nukleacijskih mest)

LASTNOSTI GRELNE POVRŠINE:

Orientacija. Če je greta površina obrnjena navzgor, imamo pri nižjih gostotah toplotnega toka boljše vrelne pogoje prenosa toplote kakor pri višjih gostotah toplotnega toka.

Predvsem zaradi obnašanja dvofaznega toka pri vrenju.

Geometrija. Tukaj ključno vlogo igra velikost vzorca; manjši ko je vzorec, večji obseg ima na svoj volumen, kar pomeni, da bo izkazoval višjo kritično gostoto toplotnega toka – še posebej, če je le ta na sredini medija in ima možnost visokega odvajanja toplote v vse smeri. Pomembna je tudi debelina vzorca; pri tankih vzorcih imamo problem visokih lokalnih temperaturnih padcev in dvigov, ki nam ne podajo dobre ocene med temperaturo površine in delovnim medijem.

Fizikalne lastnosti. Materialna lastnost kot je koeficient toplotne prevodnosti je zelo pomemben, saj se lahko spreminja s temperaturo samega telesa. Torej važno je, da imamo konsistentno in dovolj visoko toplotno prevodnost, da lahko z manjšimi pregretji dobimo visoke toplotne tokove in tako lažje pridemo do željenih vrednosti.

(37)

Topografske lastnosti. Ključna topografija je hrapavost površine, ki je odvisna od same obdelave in se razlikuje od vzorca do vzorca. Bolj hrapava površina ima veliko raz, kjer se lahko zadržuje para kar pomeni več površine za rast mehurčkov. To pa se izkazuje kot rast gostote toplotnega toka v režimu nukleacijskega vrenja do kritične gostote toplotnega toka. V mnogih člankih so raziskave o strukturiranih površinah, ki omenjajo namensko narejene izdolbine v povezavi z velikostjo mehurčkov, ki ugodno vplivajo na prenos toplote pri vrenju.

Morfološke lastnosti. Vsaka površina ima drugačne morfološke lastnosti, ki pa so velikokrat naključne, vendar obstajajo kemično obdelane površine ali razne nano prevleke, ki lahko povzročijo nastanek igličastih, drevesnih ipd. struktur, ki lahko povečajo kritično gostoto toplotnega toka in pregretje.

POGOJI OKOLICE:

Gravitacija. Pomembna lastnost, če se vrenje uporablja v vesoljske namene ali pri rotacijskih napravah, ki povečajo moč gravitacijskega polja. Po avtorjih L. Bergman et al. [3] imamo v formulah korelacijo gravitacije na ¼. Pri poljih brez gravitacije le ta zniža kritično gostoto toplotnega toka, pri izjemno velikih gravitacijskih pospeških pa dosežemo povišanje CHF.

Tlak. Temperatura delovnega medija je odvisna od tlaka, torej nam ta parameter vpliva na pregretje med površino in medijem. Če znižamo tlak v sistemu je potrebno manjše pregretje za doseganje mehurčkastega vrenja.

LASTNOSTI DELOVNEGA MEDIJA:

Termodinamične in transportne lastnosti. Viskoznost fluida, točka nasičenja kapljevine in gostota fluida imajo vpliv na pogoje in parametre izvedbe vrenja.

Lastnosti blizu in daleč grelnega telesa. Daleč grelnega telesa se ob nastanku mehurčka le ti začnejo združevati in povzročijo veliko gmoto, ki poveča temperaturo medija. V bližini pa poznamo izsušitev makroplasti kapljevina, združevanje mehurčkov na površini in nastanek vročih točk, vse pa so odvisne od zalivanja kapljevine na mesta nastajanja mehurčkov.

Površinska napetost. Prosta površinska energija, ki stremi k najnižjem energijskem potencialu v mirovanju. Odvisna od lastnosti medija in površine v večini.

INTERAKCIJA MED GRELNO POVRŠINO IN DELOVNIM MEDIJEM:

Omočljivost. Povezana s površinsko napetostjo; manj omočljive površine imajo višji koeficient toplotne prestopnosti pri nizkih gostotah toplotnega toka. Bolj hidrofilne površine (manjši kot omočenja) izkazujejo višje toplotne tokove.

Kapilarni vlek. Odvisen od gravitacije, omočljivosti, površinske napetosti, gostote kapljevine in geometrije v katerem je prisoten.

(38)

Adsorpcijske lastnosti. Fluid se lahko veže na površino in tako spremeni same lastnosti površine, ki lahko privedejo k poslabšanju ali izboljšanju prenosa toplote.

Gostota aktivnih nukleacijskih mest. Več kot imamo manjših mest za nastanek mehurčkov, boljša je razporeditev disipacije toplote iz površine, kar pomeni dosežek višjega kritičnega toplotnega toka. Aktivacijska mesta lahko sami strukturiramo na površini z mehansko ali kemično obdelavo, ter raznimi prevlekami.

2.2.1 Kot omočenja in omočljivost gretih površin

Kot med linijo površine in linijo kapljevine, ki se nahaja na površini, imenujemo kot omočenja. Če se osredotočimo na vodno kapljico, potem je kot omočenja odvisen od lastnosti površine na kateri leži. Ta zavisi od površinske napetosti med tremi fazami; Trdnina (S), Kapljevina (L) in Plin, ki je lahko zrak ali para itd. (G). Pomembne so medsebojne napetosti med vsemi fazami; 𝜎_𝑆𝐺 (med trdnino in plinom), 𝜎_𝑆𝐿 (med trdnino in kapljevino), 𝜎_𝐿𝐺 (med kapljevino in plinom). Stopnjo omočenja lahko izrazimo s simbolom S', izrazimo pa jo v naslednji formuli:

𝑆^′= 𝜎_𝑆𝐺− (𝜎_𝑆𝐿+ 𝜎_𝐿𝐺) (2.2)

Lahko uporabimo tudi ravnotežno enačbo, ki jo narekuje Youngov zakon preko ravnotežnega kontaktnega kota:

𝜎_𝐿𝐺 ∗ cos (𝜃) + 𝜎_𝑆𝐿 = 𝜎_𝑆𝐺 (2.3)

Pomembno je omeniti, da enačba velja za idealno gladko površino, čeprav uporabljamo enako formulo tudi pri neidealnih oz. hrapavih/neravnih površinah.

Slika 2.3: Prikaz ravnotežja površinskih sil (a), ter maksimalen in minimalen primer (b,c). Povzeto po [4].

(39)

Poznamo več različnih površin, ki narekujejo, kako se bo kapljevina obnašala na sami površini. Kapljevina lahko zavzame kote omočenja med 0 do 180°, kot je razvidno iz slike 2.3; ločimo pa naslednje obnašanje površin:

 Hidrofilna površina (FIL): kot omočenja med 0 in 90°

 Superhidrofilna površina (SFIL): kot omočenja pod 5°

 Hidrofobna površina (FOB): kot omočenja med 90 in 180°

 Superhidrofobna površina (SFOB): kot omočenja nad 150°

 Bifilna površina (BIF): hidrofilna in hidrofobna površina (razdeljena področja)

 Superbifilna površina (SBIF): superhidrofobna in superhidrofilna površina (razdeljena področja)

V praksi imamo manjšo negotovost pri določanju teh kotov, saj je površina lahko rahlo nagnjena, ukrivljena, vsebuje raze ali vsadke, ki niso bili namenjeni itd. Meritve v praksi lahko označimo z t. i. navideznim kotom omočenja. Ta torej ne upošteva lastnosti na mikroskali vendar samo na makro skali. Obstajajo tudi dinamični koti omočenja, ki se razlikujejo v tem, če se kapljica še poseda ali ko se jo odstranjuje (povlečemo v normali površine). To lahko primerjamo s kapljico na klancu; kot pri kapljici navzdol je enak kapljici ko se poseda, kot pri kapljici navzgor pa je enak kapljici, če bi jo odstranjevali. Ko se omočljivosti lotimo malce bolj detajlno, je potrebno razlikovati med navideznim in idealnim kotom omočenja (θ). Navidezni kot omočenja (𝜃^𝑖) pri hidrofilnih površinah je v splošnem manjši od idealnega medtem ko, je pri hidrofobnih površinah večji.

Potrebno je ločiti med totalno oz. »dejansko površino« in med kontaktom, ki ga lahko imenujemo »geometrijska površina«. Geometrijska površina je idealna ravnina medtem ko, je dejanska površina tista, ki vsebuje še hrapavost površine, torej bo v vsakem primeru večja od idealna površine. Lahko zapišemo površinsko razmerje s terminom »faktor hrapavosti«

in ga označimo kot simbol r:

𝑟 = 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 ℎ𝑟𝑎𝑝𝑎𝑣𝑜𝑠𝑡𝑖 = 𝑑𝑒𝑗𝑎𝑛𝑠𝑘𝑎 𝑝𝑜𝑣𝑟š𝑖𝑛𝑎

𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑗𝑠𝑘𝑎 𝑝𝑜𝑣𝑟š𝑖𝑛𝑎≥ 1 (2.4)

Enako lahko označimo tudi površino pod mehurčkom:

𝑑_𝑠𝑢𝑟 = (𝑑𝑒𝑗𝑎𝑛𝑠𝑘𝑎 𝑜𝑚𝑜č𝑒𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑣𝑟š𝑖𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑑 𝑚𝑒ℎ𝑢𝑟č𝑘𝑜𝑚)

(𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑗𝑠𝑘𝑎 𝑜𝑚𝑜č𝑒𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑣𝑟š𝑖𝑛𝑎 𝑝𝑜𝑑 𝑚𝑒ℎ𝑢𝑟č𝑘𝑜𝑚) ^(2.5)

Dva znana modela po katerih se lahko zgledujemo sta Cassie-Baxterjev in Wenzelov model.

Hidrofilen režim omočenja predstavlja Wenzelov model, kjer v mikrostrukturi površine ni prisoten plin. Po Cassie-Baxterjevem modelu pa je predstavljen hidrofoben režim omočenja, kjer je v mikrostrukturah prisoten plin, ujet pod mehurčkom.

(40)

Slika 2.4: Stanja med obema modeloma povzeto po [5].

Slika 2.5: Hipotetični stik med kapljevino in površino povzeto po [6].

Dejanski lokalni kot je skoraj nemogoče meriti, zato se v praksi uporablja makroskopski navidezni kot, ki ga upoštevamo. Navidezni kontaktni kot je lahko predstavljen kot metastabilno ravnotežno stanje sistema (lokalni minimum v Gibbsovi energijski krivulji) ali kot stabilno ravnotežno stanje (najnižji minimum v Gibbsovi energijski krivulji). Po avtorjih et al. [7] Wenzelov model predstavlja najstabilnejši kontaktni kot, v primeru če so vse raze zapolnjene s kapljevino. Če pogledamo kemično heterogeno strukturo pa je najbolj stabilen kontaktni kot uporabljen v Cassie-Baxterjevem modelu; ko so vse mikrostrukture zapolnjene s plinom kot je razvidno iz slike 2.4(c).

WENZELOV MODEL

Tukaj nimamo plinskih žepkov (𝑑_𝑠𝑢𝑟 = 1) kot prikazuje sliki 2.5(b).

(41)

𝑑𝐸 = 𝑟(𝜎_𝑆𝐿− 𝜎_𝑆𝐺)𝑑𝑥 + 𝜎_𝐿𝐺cos(𝜃) 𝑑𝑥 ^(2.6)

Kapljevina v mirovanju izkaže dE/dx=0, za idealno gladko površino (r = 1) dobimo Youngov zakon, za realno površino (r > 1) pa izpeljava pripelje do:

cos 𝜃^𝑖 =𝑟(𝜎_𝑆𝐺 − 𝜎_𝑆𝐿)

𝜎_𝐿𝐺 = 𝑟cos𝜃 ^(2.7)

CASSIE-BAXTERJEV MODEL

Če je r večji kar pomeni, da se med površinama kapljevine in telesa ujamejo plini kot na sliki 2.5(c) potem se formulo zapiše v drugi obliki:

𝑑𝐸 = 𝑑_𝑠𝑢𝑟(𝜎_𝑆𝐿− 𝜎_𝑆𝐺)𝑑𝑥 + (1 − 𝑑_𝑠𝑢𝑟)𝜎_𝐿𝐺𝑑𝑥 + 𝜎_𝐿𝐺cos(𝜃) 𝑑𝑥 ^(2.8)

Ravnotežna oblika:

cos 𝜃^𝑖 = 𝑑_𝑠𝑢𝑟− 1 + 𝑑_𝑠𝑢𝑟 ∗𝜎_𝑆𝐺 − 𝜎_𝑆𝐿

𝜎_𝐿𝐺 = 𝑑_𝑠𝑢𝑟− 1 + 𝑑_𝑠𝑢𝑟cos(𝜃) (2.9)

V limitnem primeru 𝑑_𝑠𝑢𝑟 → 0 (če bi večino površine pod kapljico predstavljal plinski film) navidezni kot omočenja (𝜃^𝑖) prihaja proti vrednosti 180°. Tukaj je potrebna energijska bariera za nastanek nukleacijskega mesta manjša kot v drugih primerih, zato dobimo manjšo pregretje pri ONB. Problem pri takšnih primerih je, da pride do takojšnega nastanka parnega filma po celotni površini in dobimo maksimalno gostoto toplotnega toka oz. kvazi- Leidenfrostov režim.

2.2.2 Vpliv kota omočenja na proces vrenja

Prenos toplote pri procesu vrenja je zelo povezan z nastankom mehurčka na vrelni površini, kako mehurček raste in kako se odcepi od površine. Omočljivost predstavlja linijo med tremi fazami, ta pa je glede na površinsko napetost med vsemi odvisna od lastnosti medijev, ter grete površine. Kot je bilo že prej zapisano, pri hidrofobnih površinah tj. tistih, ki imajo zelo velik kot omočenja (manjšo kontaktno površino) potrebujemo manjše pregretje površine, da

(42)

nastopi do vrenja (ONB) v primerjavi z hidrofilnimi površinami. To je ugodno s stališča energijskega vnosa, vendar pa to ni celoten proces vrenja, kajti pri teh površinah dosežemo hitrejšo koalescenco mehurčkov, imamo slabše zalivanje pod mehurčki in posledično manjše vrednosti CHF (hitrejši premik proti Leidenfrostovi točki). Imamo pa višje koeficiente toplotne prestopnosti napram hidrofilnim površinam. Nasprotno imamo pri hidrofilnih površinah kasnejši nastop mehurčkastega vrenja (ONB) pri višjih pregretjih, manjše koeficiente toplotne prestopnosti (manjši naklon krivulje v območju mehurčkastega vrenja).

Prednosti le teh površin pa so doseganje višjih kritičnih gostot toplotnega toka (CHF), kar izhaja večinoma iz lastnosti učinkovitejšega (intenzivnejšega) zalivanja suhih mest.

Kandlikar [8] ima eno najbolj znanih korelacij efekta omočljivosti:

𝑞_𝐶𝐻𝐹 = [1 + 𝑐𝑜𝑠𝜃_𝑟 16 ] [(2

𝜋) +𝜋

4(1 + 𝑐𝑜𝑠𝜃_𝑟)𝑐𝑜𝑠𝜗]

0.5

[𝜌_𝑔^0.5ℎ_𝐿𝐺[𝜎𝑔(𝜌_𝐿− 𝜌_𝐺)]^0.25] (2.10)

Kjer je 𝜃_𝑟 kot omočenja pri umikanju kapljice, 𝜌_𝐺 in 𝜌_𝐿 gostota plina in kapljevine, ℎ_𝐿𝐺 je uparjalna toplota, g je gravitacijski pospešek, 𝜗 pa predstavlja kotno orientacijo grelnika, kjer 𝜗 = 0 pomeni horizontalna smer. Torej enačba zgoraj predstavlja, da je edina lastnost površine, ki vpliva na CHF kot omočljivosti.

(43)

Slika 2.6: (a) Shematski prikaz manjšega in večjega mehurčka z različnim kotom omočenja, (b) Premeri odcepitve mehurčkov v odvisnosti od kota omočenja, (c) frekvence nukleacij v odvisnosti od kota omočenja. Povzeto po [9].

Na sliki 2.6(a) imamo prikaz dveh mehurčkov z enakim premerom stične površine in drugačnim kotom omočenja. Mehurček z manjšim kotom omočenja je večji zaradi geometrijskih razlogov. To lahko razloži zakaj povečanje omočljivosti zviša potrebo po vloženi energiji za aktivacijo nukleacijskih mest. Časi med odcepitvijo mehurčka in nukleacijo novega so zato večji, ko je makro kot omočenja nižji. Ko zvečamo kontaktni kot opažamo manj nukleacijskih mest.

Avtorji Phan et al. [10] so z visoko hitrostno kamero ugotovili, premer odcepitve mehurčka in nukleacijske frekvence za vsako hidrofilno površino. Slika 2.6(a) kaže, da večja omočljivost povzroči večji premer odcepitve mehurčka. To je v kontrast Fritzovi korelaciji, ki ugotavlja, da je premer odcepitve mehurčka proporcionalen na statični kot omočljivosti.

Določili so čas v katerem mehurček raste (𝑡_𝑔) in časovni interval med odcepitvijo in nukleacijo novega mehurčka (𝑡_𝑤). Ko so zmanjšali kot omočljivosti, sta se zvišala oba časovna intervala in s tem zmanjšala frekvenco nukleacij 𝑓_𝑛 = ¹

𝑡_𝑔+𝑡_𝑤 z izboljšanjem omočljivosti površine. Pomemben faktor je tudi število nukleacijskih mest, za lažjo interpretacijo efekta površinske omočljivosti na prenos toplote. Z izboljšanjem omočljivosti površine se zmanjša število nukleacijskih mest.

(44)

Slika 2.7: Koeficient toplotne prestopnosti v odvisnosti od kota omočenja. Povzeto po [9].

Slika 2.7 prikazuje variacijo koeficienta toplotne prestopnosti v odvisnosti s kotom omočenja. Vidimo, da je med 30° in 90° slabši koeficient toplotne prestopnosti. Pri superhidrofilnih površinah dobimo enak fenomen visokih koeficientov toplotne prestopnosti. Ena od metod je uporabljanje titanovega dioksida (TiO2) na gladkih površinah, kjer je premaz oksidiran z UV radiacijo. Sodeč po teh eksperimentih bi lahko rekli, da je najboljši koeficient toplotne prestopnosti dobljen pri kotih omočenja blizu 0° in 90°.

Avtorji omenjajo tudi opažanje pri mehurčkastem vrenju, kjer je razlika ta, da je kapljevina pri temperaturi nasičenja in ni v ravnotežju, kakor pri merjenju kota omočenja, ko samo spustimo kapljico in počakamo, da se stanje ustali. V splošnem površinska napetost kapljevine pada z večanjem temperature. Torej je novi makro kot omočenja pri temperaturi nasičenja (𝜃_𝑠) manjši od kota omočenja pri merjenju v sobni temperaturi (𝜃). Ravnotežje med površinskimi napetostmi ni vzpostavljeno, ker obstaja toplotni tok med linijo gretega telesa in kapljevino. Za hidrofilne površine velja, da se mikroplast kapljevine pod mehurčkom upari zaradi tega toplotnega toka. Blizu kjer se stikajo vse tri faze imamo ogromen prenos toplote, ki bi povzročil veliko višjo stopnjo uparjanja kakor kjerkoli drugje.

Tako bi dobili novo krivuljo med linijo kapljevine in plina s katero bi dobili nov kot, ki ga lahko imenujemo »mikro kot omočenja (𝜃_𝜇,𝑠)«.

(45)

Slika 2.8: (a) mikro in makro kot pri stiku treh faz, (b) efekt mikro kota in sil, ki se pri tem pojavijo na rast in odcepitev mehurčka, (c) grafični prikaz poti tega efekta. Povzeto po [9].

Pomembno je omeniti sile pri trojni kontaktni liniji, ki so posledica mikro kota omočenja 𝜃_𝜇,𝑠. Silo površinske napetosti se razstavi na horizontalno in vertikalno komponento (𝐹_𝜎−ℎ 𝑖𝑛 𝐹_𝜎−𝑣). Horizontalna sila premika mikro-sloj stran od osi mehurčka, kjer se raztegne iz točke A do B. S premikanjem zaradi te sile, se zmanjša mikro kot omočenja zaradi energijske bilance. Pri poziciji B je mikro kot omočenja enak 90° in površinska napetost preneha premikati stičišče trojne kontaktne linije. Zaradi vztrajnosti kapljevine in minimizaciji energije v sistemu, pa rezultira mikro kot omočenja bolj k vrednosti makro kota omočenja. Tokrat se pojavi obratna horizontalna sila, ki zmanjšuje radij trojne točke mehurčka dokler ne izgine in se mehurček odcepi. Mikro kot omočenja vpliva tudi na vertikalno komponento sile 𝐹_𝜎−𝑣, ki ohranja mehurček pri površini. Ustvari premik stičišča trojne linije mehurčka in vpliva na dinamične sile, ki so posledica vztrajnosti kapljevine in viskoznosti.

Razloženo po avtorjih et. al [9], je S.G. Bankoff (1957) definiral tudi energijski faktor kot večanje razmerja energije potrebne za formacijo mehurčka s kotom omočljivosti s tistim, ki formira homogen mehurček z enakim premerom:

𝑓(𝜃) =2 + 3cos𝜃 − cos³𝜃

4 ^(2.11)

(46)

Predstavlja volumsko razmerje med sfero, katero kot omočljivosti je θ in polno sfero, ki ima enak premer. Ustvarili so korelacijo med odcepitvenim premera mehurčka, ki upošteva efekt lastnosti fluida in gravitacije kot avtor W. Fritz (1935) po avtorjih Phan et al. [9], z upoštevanjem energijskega faktorja k efektu omočljivosti:

𝐷_𝑑 = 0.626977 ×2 + 3cos𝜃 − cos³𝜃

4 ( 𝜎

𝑔(𝜌_𝐿− 𝜌_𝐺))

0.5 (2.12)

Slika 2.9: Nova korelacija predvidevanja premera odcepitve mehurčka. Povzeto po [9].

Slika 2.9 prikazuje krivuljo podatkov na eksperimentalne rezultate s samo 7% odstopanjem.

Z manjšim makro kotom omočljivosti je mikro podsloj mehurčka večji in bi pripomogel k višjem koeficientu toplotne prestopnosti. Makro kot omočljivosti ima efekt na mikro kot omočljivosti še posebej pri premikanju linije treh faz mehurčka. Za manjši makro kot omočljivosti je trajanje ekspanzije trojne linije faz mehurčka daljša, vendar pa je retrakcija krajša, kar pripomore k izboljšanju CHF. Ta retrakcija se lahko izboljša s kapilarno dolžino sloja površine, kar so tudi nekateri avtorji pokazali pri uporabi poroznih slojev na površini.

2.3 Samoomočljivi fluidi

Vrenje se uporablja za odvajanje toplote že vrsto let v hladilnikih, toplotnih ceveh, parnih komorah itd. z raznimi hladilnimi tekočinami ali zmesi med le temi in vodo. Vrenje še nikakor ni popolnoma raziskano, zato znanost še vedno premika meje limite kritičnega toplotnega toka, izboljšuje vrelne površine, ter interakcijo med površino in fluidom.

Izboljšave se lahko pojavijo tudi pri uporabi posebnih večkomponentnih zmesi. V tej temi raziskujemo zmes vode in n-butanola (t. i. samo-omočljiv fluid), saj ima posebno lastnost

(47)

medtem ko, se ta z mešanico določenih koncentracij n-butanola zviša pri višjih temperaturah.

Čeprav se n-butanol uparja pri višji temperaturi, je v zmesi z vodo nasičenje pri nižji temperaturi kakor sama voda (fazni diagram). Na proces vrenja samo-omočljivega fluida vplivata Marangonijeva konvekcija in termokapilarni tok, ki razložita spremembo površinske napetosti zaradi temperaturnega in koncentracijskega gradienta. Ker bo višja koncentracija alkohola v vodi pri stičišču treh linij mehurčka (ang. Triple Contact Line

»TCL«) oz. vseh treh faz pri vznožju mehurčka, bo Marangonijeva konvekcija pomagala sveži kapljevini proti vznožju mehurčka. Tudi termokapilarni tok bo silil kapljevino proti vznožju mehurčka, kar pomeni, da bo prišlo do t. i. samozalivanja medija, ki bo pomagal odpraviti suhe točke pri vrenju. Od tod tudi ime samoomočljivi fluidi. Samoomočljive zmesi so razredčene vodno-alkoholne zmesi, ki vsebujejo najmanj štiri ogljikove verige. Iznajdene so bile kot anomalije, posredno pri eksperimentiranju Marangonijevega efekta oz.

Marangonijeve konvekcije od raziskav, ki sežejo nazaj v leto 1984 [11]. Značilnost, po kateri jih lahko opredelimo v svojo skupino je ta, da se pri višjih temperaturah povečuje površinska napetost, kot je prikazano na sliki 2.10. Povzeto po raziskavah [2,12].

Slika 2.10: Graf površinske napetosti v odvisnosti od temperature; levo so predstavljeni monofluidi, desno pa samoomočljivi in butanol. Povzeto po [12].

Marangonijev efekt:

Efekt se imenuje po Italijanskem fiziku Carlu Marangoniju. Opisuje pojav masnega toka ob stiku dveh tekočin zaradi gradienta koncentracije, ki vpliva na gradient površinske napetosti.

Slika 2.11 prikazuje enostaven primer vina v čaši, ob katerem lahko razložimo pojav.

Alkoholi imajo manjšo površinsko napetost kakor voda in so lažje hlapljiva snov. Ob stiku s steklom je zaradi uparjanja večjega dela alkohola manjša koncentracija le tega in s tem povečanje površinske napetosti. Pojavi se rezultanta sila iz smeri manjše napetosti proti višji napetosti. Torej tekočina pod točko treh faz ima nižjo napetost in sili proti točki, ki ima zaradi zmanjšane koncentracije alkohola višjo napetost. Primer lahko pokažemo tudi s papirjem na vodi; zadaj dodamo detergent (snov z nižjo površinsko napetostjo), ki se začne ob stiku širiti v smeri višje napetosti. Tako v bistvu rezultanta sil zaradi najmanjše napetosti na desni strani (slika 2.12) papirček usmeri v levo in potuje, dokler se detergent popolnoma ne uravnoteži s koncentracijo vode.

(48)

Slika 2.11: Primer Marangonijevega efekta na vinu v čaši.

Slika 2.12: Primer Marangonijevega efekta na papirčku na vodi.

Termokapilarni tok:

V primeru temperaturnega gradienta lahko fenomen poimenujemo termo-kapilarna konvekcija. Pri tem pojavu se temperatura iz toplega dela (manjša površinska napetost) premika proti hladnemu delu, dokler ne pridemo do temperaturnega ravnovesja. Pri samoomočljivih fluidih je pojav obraten, saj je površinska napetost pri višjih temperaturah večja. Torej bo iz hladnejše okolice medij stekal proti greti površini in tako povzročal samo- zalivanje.

Pri mehurčkastem vrenju sta prisotna oba pojava, temperaturni in koncentracijski gradient, ki sta kriva za spremembo površinske napetosti in posledično gibanje masnega toka.

Površina pod mehurčkom ima višjo temperaturo kakor voda ob mehurčku, zato se pojavi termokapilarno gibanje proti površini. Obenem imamo pojav višje napetosti zmesi butanol- voda ob vrenju in tako kot pri čaši, ima najvišjo napetost kapljevina tik ob TCL kar pomeni,

(49)

kar pomaga pri odcepitvi mehurčka. Pojav je prikazan na primeru vode in samoomočljivega fluida na sliki 2.13.

Pomembno je omeniti še koncentracijo alkohola v zmesi z vodo, kajti moramo upoštevati še topnost določenega alkohola v tej zmesi. Topnost se spreminja s temperaturo s tem pa tudi ostale lastnosti fluida, še posebej pri vrenju, kjer imamo prisotno dvofazno snov. Sama koncentracija alkohola bo znatno spremenila obnašanje fluida in lastnostni le tega pri različnih temperaturah in stanju zmesi.

Slika 2.13: Prikaz efekta Marangonijevega toka glede na delovni fluid (a) in odvisnost termičnega Marangonijevega števila oz. termokapilarnega toka s temperaturo fluida (b). Povzeto po [12].

2.4 Modeli za popis fenomena vrenja

2.4.1 Čiste snovi

Vsak proces si želimo popisati z neko formulo, zato da lahko pri uporabi v drugem sistemu, novem okolju in pri drugačnih medijih predvidimo pomembne vrednosti. Tukaj so te dve željene oz. potrebne vrednosti kritična gostota toplotnega toka (CHF) in koeficient toplotne prestopnosti (α). Tekom zgodovine so se razvijali mnogi modeli, ki pa žal niso zelo uspešno napovedali vrednosti, ker je sam vrelni proces tako kompleksen in ker vsak naredi poskus s svojimi pogoji in eksperimentalno progo, ki seveda vpliva na končne rezultate modelov in koeficientov. Karakterizacija modelov je ključna za referenco in primerjavo pri vseh nadaljnjih preskusih, katerih bo potrebno še ogromno. Za popis koeficienta toplotne prestopnosti sta enih najbolj uveljavljenih modelov prispevala Forster in Zuber, za popis kritične gostote toplotnega toka pa Zuber.

Forster in Zuber [13] sta razvila brezdimenzijsko korelacijo koeficienta toplotne prestopnosti (α):

𝛼 =0,00122∆𝑇_𝑠𝑎𝑡^1,24∆𝑝_𝑠𝑎𝑡^0.75𝑐_𝑝,𝑙^0.45𝜌_𝑙^0,49𝜆_𝑙^0,79

𝜎^0,5ℎ_𝑙𝑔^0,24𝜇_𝑙^0,29𝜌_𝑔^0,24 ^(2.13)

(50)

Pri uporabi Forsterjeve in Zuberjeve korelacije koeficienta toplotne prestopnosti pa ne upoštevamo površinskih lastnosti, ki so zelo pomembne pri procesu vrenja. Lahko uporabimo Rohsenowo korelacijo, ki pa upošteva površinske lastnosti in uporabljen medij:

𝑐_𝑝,𝑙∆𝑇_𝑠𝑎𝑡

ℎ_𝑙𝑔 = 𝐶_𝑠𝑓{ 𝑞̇

𝑢_𝑙ℎ_𝑙𝑔√ 𝜎 𝑔(𝜌_𝑙− 𝜌_𝑔)}

1 3

[𝑐_𝑝,𝑙𝜇_𝑙 𝜆_𝑙 ]

𝑛 (2.14)

𝑛 = 1 (𝑣𝑜𝑑𝑎); 𝑛 = 1.7 (𝑟𝑎𝑧𝑙𝑖č𝑛𝑖 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑖)

𝐶_𝑠𝑓 ... koeficient stanja površine (potrebno poiskati v literaturi ali izbrati iz eksperimentov)

Enačbo lahko zapišemo tako, da lahko izračunamo iz nje gostoto toplotnega toka ali koeficient toplotne prestopnosti:

𝑞̇ = (𝑐_𝑝,𝑙∆𝑇_𝑠𝑎𝑡 ℎ_𝑙𝑔Pr^𝑛 𝐶_𝑠𝑓

)

3

𝜇_𝑙ℎ_𝑙𝑔√𝑔(𝜌_𝑙− 𝜌_𝑔)

𝜎 ^(2.15)

𝛼 = 𝑐_𝑝,𝑙

𝐶_𝑠𝑓𝑃𝑟^𝑛(𝜇_𝑙

ℎ_𝑙𝑔² √𝑔(𝜌_𝑙− 𝜌_𝑔)

𝜎 )

1 3

𝑞̇²³ ^(2.16)

V literaturi je možno razbrati tudi več različnih modelov za kritično gostoto toplotnega toka.

Eden izmed znanih je Zuberjev model [14], ki upošteva predpostavko mehanizma hidrodinamične nestabilnosti, kjer K predstavlja eksperimentalno vrednost 0.16:

𝑞̇_𝐶𝐻𝐹 = 𝐾√𝜌𝑔ℎ_𝑙𝑔[𝜎𝑔(𝜌_𝑙− 𝜌_𝑔)]

1

4 (2.17)

Hidrodinamični fenomen: nestabilnost dvofaznega toka pri vrelni površini. Ko se parni film vzpostavi po celotni površini in sveža kapljevina več ne more prodirati do suhih mest; skoraj

(51)

nemogoče je upoštevati več nukleacijskih mest in nastanek več različnih mehurčkov. Hitrost nastajanja pare je prevelika in preidemo v prehodni režim vrenja.

2.4.2 Večkomponentne zmesi

Večkomponentne zmesi so homogene zmesi dveh ali več komponent. V našem primeru bomo v eksperimentih obravnavali zmes n-butanola in vode. Pri večkomponentnih zmeseh se zaradi konstantne spremembe kompozicije (odstotek ene in druge snovi v parni fazi) spreminja tudi temperatura fazne spremembe. Bolj hlapljiva snov se prej uparja in ustvari se koncentracijski gradient, ki zveča upor snovnega prenosa, zato je večja temperatura pri površini. Pri binarnih zmeseh kakor je zmes n-butanol in voda se ustvari Marangonijev tok, ki vleče kapljevino proti mestu uparjanja, kar je rezultat večje površinske napetosti pri višjih temperaturah kakor pri čistih snoveh (samo voda).

𝑞 = 𝛼∆𝑇_𝑠𝑎𝑡= 𝛼(𝑇_𝑤− 𝑇_𝑠𝑎𝑡) = 𝛼(𝑇_𝑤 − 𝑇_𝑏) (2.18) Tb je temperatura nastanka prvega mehurčka v zmesi.

𝛼 = 𝑞

∆𝑇_𝑠𝑎𝑡 ^(2.19)

Idealno pregretje ∆𝑇_𝑖𝑑 je velikokrat smatrano kot efektivna temperaturna sprememba, ki je v teoriji dosežena pri vrenju zmesi, če ne bi bilo nobenih efektov mešanja, kjer je 𝑥_𝑖 molski delež ene od komponent, in ∆𝑇_{𝑠𝑎𝑡,𝑖} pregretje površine komponente:

∆𝑇_𝑖𝑑= ∑ 𝑥_𝑖∆𝑇_{𝑠𝑎𝑡,𝑖}

𝑖

(2.20)

Preko Newtonovega zakona hlajenja lahko dobimo:

∆𝑇_{𝑠𝑎𝑡,𝑖} = 𝑞

𝛼_𝑖 ^(2.21)

Kjer je 𝛼_𝑖 zračunana iz korelacije za vrenje čiste komponente i pri istem toplotnem toku q in pri isti temperaturi T kot vrelna zmes.