Hoe bepalen we de warmteoverdracht in het koken van verdunde emulsies?

De studie van het kookproces van verdunde emulsies biedt cruciale inzichten in de complexe fysische mechanismen die plaatsvinden bij deze processen. In dergelijke systemen spelen de interacties tussen de fasen – vooral tussen de vloeistofdruppels en het omringende medium – een belangrijke rol in de thermodynamica van het koken. Verschillende modellen zijn ontwikkeld om deze processen te begrijpen, waaronder die van Roesle en Kulacki, Bulanov en Rozentsvaig-Strashinskii. Elk van deze modellen biedt een andere benadering van het nucleatieproces en de warmteoverdracht, maar heeft ook zijn beperkingen.

Een specifiek voorbeeld van een dergelijk model is het werk van Roesle en Kulacki, waarin zij de effectiviteit van de botsingskans verhogen door hun model te schalen met een parameter $K_{\eta}$. Dit verhoogt de kans op nucleatie, wat leidt tot een verbetering van de warmteoverdracht, doordat er meer belletjes gevormd worden. Echter, wanneer de volumefractie van de emulsie laag is, bijvoorbeeld bij 1% of 2%, kan een te hoge botsingskans een tegenovergesteld effect hebben. Bij hogere wandtemperaturen kan de warmteoverdracht zelfs afnemen, wat veroorzaakt wordt door de toename van damp in de thermische grenslaag rond de draad.

Het model van Rozentsvaig en Strashinskii richt zich op turbulente stroming en onderzoekt het punt waarop belletjes beginnen te nucleeren in een monodisperse emulsie. Dit model introduceert het idee van oppervlaktedeformatie van de druppels door turbulente energie, wat de lokale capillaire druk vermindert en daarmee de temperatuur waarop nucleatie optreedt verlaagt. Er worden twee mechanismen van deformatie beschouwd, waaronder het resonantiemodel, waarbij de turbulente kinetische energie van wervels van een bepaalde grootte de oppervlaktedeformatie van de druppels veroorzaakt. Dit model maakt gebruik van de turbulentekinetische energie van wervels in stroming, gekoppeld aan de formules voor de muurwrijvingskracht en de wervelkinetische energie, om de nucleatiesnelheid te berekenen.

Hoewel de modellen waardevolle inzichten bieden, is het belangrijk om te begrijpen dat de theoretische benaderingen slechts benaderingen zijn van de werkelijke fysische processen die zich voordoen. In de praktijk kunnen de veronderstellingen die ten grondslag liggen aan deze modellen – zoals de constante snelheid van de bellen of het gebruik van vereenvoudigde energie- en krachtsbalansen – variëren afhankelijk van de specifieke omstandigheden van het systeem. Het vermogen om de nucleatiesnelheid van druppels direct te meten en in te voeren in een model is een voortdurende uitdaging in de thermodynamica van kookprocessen.

De moeilijkheden bij het nauwkeurig modelleren van kookgedrag in verdunde emulsies wijzen op de complexe aard van de interacties tussen fasen in deze systemen. Hoewel de bestaande modellen nuttig zijn voor het bieden van algemene richtlijnen, blijft het essentieel om experimentele gegevens te combineren met theoretische benaderingen om de dynamica van het kookproces volledig te begrijpen en nauwkeurige voorspellingen te doen over warmteoverdracht en nucleatie in verschillende omstandigheden.

Hoe beïnvloeden hydraulische diameter en massastroom de warmteoverdracht en drukval bij verdamping van verdunde emulsies in microkanalen?

De warmteoverdracht en drukval bij stromingsverdamping van verdunde emulsies in microkanalen hangen nauw samen met de hydraulische diameter (Dh) van het kanaal en de massastroomdichtheid (G). Uit experimentele studies blijkt dat het verschil in drukval tussen kanalen met Dh van 200 μm en 1000 μm, bij elke gegeven massastroom, groter is voor emulsies dan voor water. Dit wijst op een sterkere invloed van kanaalafmetingen op het stromingsgedrag van emulsies, wat cruciaal is bij het ontwerpen van microkanaalsystemen voor warmtewisselaars.

De experimentele resultaten laten zien dat bij een hydraulische diameter van 500 μm en een massastroom van 150 kg/m²s de warmteoverdrachtcoëfficiënten voor water en 1% emulsie vergelijkbaar zijn met die gemeten door Janssen en Kulacki, wat wijst op reproduceerbaarheid onder vergelijkbare condities. Echter, bij hogere massastromen van 350 kg/m²s vertonen de emulsiestudies in deze microkanalen geen significante toename van de warmteoverdracht met toenemende concentratie ε, in tegenstelling tot eerdere studies. Dit suggereert dat bij hogere stromingssnelheden de voordelen van emulsies minder uitgesproken kunnen zijn.

Verschillen in experimentele opstellingen, zoals kanaalbreedte en ontwikkelingslengte van de stroming, spelen een belangrijke rol in de resultaten. Morshed et al. rapporteerden verschoven kookcurves naar hogere wandtemperaturen, mogelijk veroorzaakt door de kleinere kanaalbreedte en directe aansluiting van het verwarmde segment op de instroom, wat kan leiden tot confinement-effecten. Dit benadrukt het belang van kanaalgeometrie en stromingsontwikkeling bij het interpreteren van warmteoverdracht- en drukvalgegevens.

De drukvalmetingen bevestigen dat emulsies over het algemeen een grotere drukval veroorzaken dan zuiver water, vooral bij kleinere hydraulische diameters. Dit is een gevolg van verhoogde viscositeit en complexere stromingspatronen veroorzaakt door de aanwezigheid van gedispergeerde fasen. De gecombineerde effecten van kanaalmaten en massastroomdichtheid beïnvloeden zodoende sterk de efficiëntie van het warmteoverdrachtsproces in microkanalen.

Naast de directe invloed van kanaalmaten en massastroom op de warmteoverdracht en drukval, is het belangrijk rekening te houden met de microstructuur van de oppervlakken. Poröse oppervlakken met gecontroleerde porositeit en poreuze grootte kunnen de warmteoverdracht verbeteren en de overgang naar kritische warmteflux (CHF) uitstellen. De porositeit, gedefinieerd als de verhouding van de holle ruimte tot het totale volume, en de permeabiliteit, die het weerstandsniveau voor stroming binnen de poriën beschrijft, zijn essentieel voor het begrijpen van stromings- en warmteoverdrachtsmechanismen in dergelijke oppervlakken.

Het is essentieel voor de lezer te begrijpen dat de interactie tussen kanaalgeometrie, stromingsparameters en oppervlaktestructuur een complex samenspel vormt dat het gedrag van emulsies tijdens verdamping bepaalt. Hierbij beïnvloeden confinement-effecten, ontwikkelingslengte van stroming, en heterogeniteit van de poreuze structuren de warmteoverdracht en drukval significant. Het nauwkeurig afstemmen van deze parameters is noodzakelijk om optimale koelprestaties en energie-efficiëntie te bereiken in microkanaalsystemen die emulsies als koelmiddel gebruiken.

Hoe verandert de warmteoverdracht tijdens het koken in een zwembad en bij stroomkoken?

De thermodynamische en stromingsgedrag van een vloeistof ondergaat aanzienlijke veranderingen wanneer de temperatuur van een verwarmd oppervlak zo ver stijgt dat het kookproces begint. Deze veranderingen zijn te zien in de zogenaamde kookcurves, waarbij de overgang van fasen duidelijk te onderscheiden is, zoals geïllustreerd in figuur 1.1a en 1.1b. De overgang naar kokend gedrag vindt plaats bij de zogenaamde nucleaire kookfase (ONB), die het begin markeert van het tweefasen-kookproces. Het kookgedrag zelf is sterk afhankelijk van de geometrie van het oppervlak, de druk en de thermodynamische eigenschappen van de vloeistof.

Bij het bereiken van het punt B op de kookcurve begint de nucleatie van bellen op het oppervlak. Dit markeert de overgang van enkelvoudige fase-convectie naar tweefasenkoken. Bij dit punt is de temperatuur van het oppervlak hoger dan de verzadigingstemperatuur van de vloeistof, wat betekent dat het systeem zich in een metastabiele toestand bevindt. Dit betekent dat de wandtemperatuur hoger moet zijn dan de verzadigingstemperatuur voordat nucleatie van bellen plaatsvindt. De temperatuurverschillen tussen de wandtemperatuur en de verzadigingstemperatuur worden aangeduid als de oppervlakte-superverhitting. In het geval van koken in een zwembad is deze superverhitting vaak groter dan bij stromingskoken.

Het kokende oppervlak zal zich snel van punt B naar punt B′ bewegen, met een aanzienlijke verbetering van de warmteoverdrachtsefficiëntie. Dit gebeurt omdat het kookproces veel efficiënter is dan natuurlijke convectie. Zodra ONB is bereikt, neemt de snelheid van de warmteoverdracht toe en kan de wandtemperatuur snel afnemen bij een constant warmteflux. Het temperatuurverschil tussen de punten B en B′ wordt aangeduid als de temperatuurovershoot, die het beste beperkt kan worden in thermische ontwerpomstandigheden. In sommige systemen komt deze overshoot echter niet voor.

Vanaf het kritische warmtefluxpunt, D, tot het Leidenfrost-punt (E), bevindt het systeem zich in een stabiel filmkookregime. In deze fase wordt de warmteoverdracht voornamelijk gedreven door geleiding en convectie binnen een dampfilm. Het overgangspunt naar het Leidenfrost-punt markeert de beginconditie voor filmkoken, waar de dampfilm een isolerende laag vormt die de warmteoverdracht bemoeilijkt. Als de wandtemperatuur iets daalt vanaf het Leidenfrost-punt, kan de dampfilm instorten, waardoor nucleair koken opnieuw wordt opgewekt. Dit maakt het Leidenfrost-punt de minimale temperatuur waarbij filmkoken kan optreden.

Voor stromingskoken, waar vloeistof in een horizontale buis stroomt, is het gedrag van de kookregimes anders dan bij koken in een zwembad. De nucleatie van bellen begint op een vergelijkbare manier, maar de bellen blijven in de beginfase onafhankelijk van elkaar en de stroming wordt gekarakteriseerd als bellenstroom. Naarmate de thermodynamische kwaliteit toeneemt, ofwel door een hogere wandtemperatuur of een verhoogde warmteflux, veranderen de stromingsregimes naar plugflow of slurfstroming, waar de bellen samenklonteren en grotere slurven vormen die periodiek over het oppervlak bewegen.

Bij hogere temperaturen of hogere warmtefluxen ontstaat een overgang naar wervelstroom of annulaire stroming. In annulaire stroming bedekt een dunne vloeistoffilm het oppervlak van de buis, omringd door een kern van damp. In dit stadium is de warmteoverdracht optimaal door de efficiënte overdracht in de dunne vloeistoffilm. Maar naarmate de temperatuur verder stijgt, neemt de dikte van de vloeistoffilm af en ontstaan er dampvlakken die de warmteoverdracht kunnen belemmeren, wat leidt tot een overgang naar het kritische warmtefluxpunt.

Elk van deze stromingsregimes speelt een cruciale rol in het begrijpen van het kookgedrag in een systeem. De typische overgangspunten van bellenstroom naar annulaire stroming kunnen sterk variëren, afhankelijk van de thermodynamische eigenschappen van de vloeistof, de druk, de geometrie van het oppervlak en de hydrodynamische diameter van de stromingspijp. Aangezien deze regimes ook afhankelijk zijn van de massa-flux en de doorstromingssnelheid, kan het gedrag in verschillende systemen sterk variëren. Deze variaties moeten in detail worden begrepen om thermodynamisch efficiënte systemen te ontwerpen, vooral bij toepassingen waarbij de warmteoverdracht cruciaal is.

Hoe beïnvloedt de aanwezigheid van emulsies het kookproces en de warmteoverdracht?

De invloed van emulsies op het koken en de warmteoverdracht blijkt sterk afhankelijk van zowel de samenstelling van de emulsie als van de karakteristieken van het systeem waarin het koken plaatsvindt. In verdunde emulsies, zoals pentaan-in-water of FC-72-in-water, neemt de warmteoverdrachtscoëfficiënt vaak toe ten opzichte van zuiver water, maar deze toename is niet universeel: bij bepaalde concentraties en configuraties kan de warmteoverdracht zelfs afnemen.

Bij gebruik van dunne stalen strips met een dikte van 1008 in contact met dergelijke emulsies blijkt de warmteoverdrachtscoëfficiënt lager te zijn dan in water. Dit effect wordt sterker naarmate de volumefractie ε van de gedispergeerde fase toeneemt. Hogere ε-waarden leiden tot een lagere oververhitting (superheat) die nodig is om koken te initiëren. Interessant is dat emulsies van pentaan-in-water iets hogere oververhittingstemperaturen vereisen dan die van FC-72-in-water, hoewel dit verschil beperkt blijft.

In stromingskookexperimenten met fijne druppels (doorsnede ~0,1 mm) is aangetoond dat de benodigde wandtemperatuur (Tw) om koken te initiëren, lager ligt dan bij stilstaande vloeistoffen. De aanwezigheid van kleine druppels bevordert dus het koken. Echter, een toename van de druppelgrootte en van ε verlaagt de kritische warmtestroom (critical heat flux), wat een beperkende factor vormt bij toepassingen waarbij hoge warmtefluxen gewenst zijn.

Aan de hand van dimensionele analyse blijkt het belang van getallen zoals die van Weber en Euler voor het begrijpen van druppelfragmentatie onder turbulente stromingscondities. De veronderstelling dat de fragmentatie hoofdzakelijk wordt gedreven door turbulente kinetische energie wordt bevestigd door experimentele waarnemingen en visuele methoden met hoge snelheidscamera’s.

Bij stromingskoken op vlakke platen met een emulsie van FC-72-in-water bij een massaflux G van 100 kg/m²s blijkt koken te starten bij een oververhitting van ongeveer 20 tot 30 °C. Daarbij werd tot 60% verbetering van de warmteoverdracht gemeten ten opzichte van zuiver water. Opmerkelijk is dat pentaan-in-water in dezelfde omstandigheden geen noemenswaardige verbetering gaf.

Uit uitgebreide experimenten met variaties in massaflux, oppervlakteruwheid (glad versus poreus) en hydrodynamische diameter van de kanaalstructuur, blijkt dat de prestaties van emulsies gevoelig zijn voor geometrie en oppervlaktestructuur. Op poreuze oppervlakken tonen de resultaten meer consistentie en hogere warmtefluxen bij lage ε-waarden, terwijl bij hogere concentraties de verbetering afvlakt of zelfs verslechtert.

Hoewel deze correlaties statistisch valide zijn, kan de nauwkeurigheid deels te danken zijn aan het hoge aantal betrokken parameters. De p-waarden voor elke dimensieloze parameter wijzen op hun significantie, maar het weglaten van bepaalde parameters toont de mate waarin ze bijdragen tot het model. Correlaties met minder parameters blijven relevant voor praktische toepassingen waarbij eenvoud en snelle berekeningen vereist zijn.

Bij het interpreteren van deze gegevens is het cruciaal dat men het effect van oppervlakteruwheid, kanaalstructuur en instroomtemperatuur niet onderschat. Deze parameters beïnvloeden de lokale grenslaagontwikkeling en daarmee de warmteoverdracht fundamenteel. De optimale werking van een emulsie als koelmiddel kan niet los worden gezien van de fysieke en thermodynamische interacties tussen de fasen, en vereist dus systeem-specifieke afstemming.

Belangrijk om te begrijpen is dat de warmteoverdracht in emulsies niet enkel afhangt van de thermofysische eigenschappen van de componenten, maar in grote mate van de interactie tussen druppels en stroming, evenals de dynamiek van koken bij micro- en mesoschaal. De experimentele resultaten tonen dat conventionele aannames over warmteoverdracht niet lineair kunnen worden toegepast op emulsiesystemen. Dit vereist een fundamenteel andere benadering bij het ontwerpen van koelsystemen voor industriële toepassingen waarin emulsies worden gebruikt.

Hoe beïnvloeden eigenschappen van koelvloeistoffen en microstructuurontwerp de warmteoverdracht in microgaps voor elektronica-koeling?

FC-72, Novec 7200 en Novec 7300 onderscheiden zich door twee belangrijke eigenschappen: ze zijn allemaal diëlektrische vloeistoffen, wat betekent dat ze direct in contact kunnen komen met werkende elektronische componenten zonder deze te beschadigen, en hun verzadigingstemperatuur kan worden aangepast door de chemische samenstelling te wijzigen. Dit laatste is cruciaal, want de maximale bedrijfstemperatuur voor de meeste moderne elektronische apparaten, zoals processors en geheugenchips, ligt rond de 95 °C. FC-72 met een verzadigingstemperatuur van 56 °C en Novec 7200 met 76 °C bij atmosferische druk zijn daarom bijzonder geschikt als koelvloeistoffen voor high-performance elektronica.

De oppervlaktetoestand van de wanden en het ontwerp van het experimentele apparaat spelen ook een essentiële rol in de stromingsdynamica en warmteoverdracht. Microgap-studies richten zich meestal op asymmetrisch verwarmde spleten, waarbij zowel de inlaat- als uitlaatstromingsgeometrieën variëren. Onderzoeken tonen aan dat het verhogen van de oppervlakte-ruwheid leidt tot een toename van nucleatieplaatsen voor belvorming, waardoor de temperatuur waarbij koken begint daalt en de warmteoverdracht toeneemt. Deze ruwheid heeft echter weinig effect op de CHF bij afnemende spleetbreedtes.

De precieze mechanismen van koken in microgaps zijn nog niet definitief vastgelegd, maar de zogenaamde slugstroming is een vaak waargenomen regime. Hierbij beweegt een gasbel of ‘slug’ door de spleet, omgeven door een dunne vloeistoffilm. De passage van deze slug over een wand veroorzaakt significante lokale veranderingen in wandtemperatuur en warmteflux. Wanneer het voorste deel van de slug langs de wand schuift, daalt de wandtemperatuur door intensieve verdamping in de vloeistoffilm. Daarna neemt de temperatuur toe door gedeeltelijke droogloop van de film en daarmee verminderde warmteoverdracht. Na het passeren van het achterste deel van de slug volgt een geleidelijke temperatuurstijging door hernatte effecten, waarschijnlijk via transient warmtestroming. Dit verschijnsel is in overeenstemming met modellen uit het zwembadkoken en suggereert dat transient warmtestroming de dominante overdrachtsmechaniek is direct na passage van de slug.

Microgaps worden vaak vergeleken met microkanalen voor koelingstoepassingen in high-performance elektronica. Onderzoek wijst uit dat microgaps, ondanks hun iets grotere hydraulische diameter, hogere warmteoverdrachtscoëfficiënten en een hogere kritische warmteflux bereiken dan microkanalen met dezelfde totale stroomvolume. Bovendien zorgen microgaps voor consistentere temperatuurmetingen in zowel axiale als laterale richtingen. Dit komt doordat dampbellen in microgaps zowel lateraal als axiaal kunnen groeien, terwijl in microkanalen de groei beperkt is tot de axiale richting. Beperkte expansie in microkanalen veroorzaakt verstoringen in de stromingsverdeling en daarmee temperatuurongelijkheden, doordat vloeistof omgeleid wordt naar kanalen met lagere weerstand. Deze niet-uniformiteit wordt minder gezien in microgaps door de ruimere expansiemogelijkheden voor de damp.

Naast de genoemde thermofysische eigenschappen en stromingsmechanismen is het essentieel voor de lezer te beseffen dat het optimaliseren van elektronische koelsystemen met microgaps een multidimensionale uitdaging is. Dit omvat niet alleen de keuze van koelvloeistof en beheer van subkoeling, maar ook de materiaalkeuze, oppervlaktebehandeling en geometrische configuratie van de microstructuren. Kleine veranderingen in deze parameters kunnen de nucleatie en belvorming sterk beïnvloeden, wat op zijn beurt directe gevolgen heeft voor betrouwbaarheid en efficiëntie van het koelsysteem.

Tot slot verdient de complexe wisselwerking tussen subkoeling, warmteflux, en stromingsregimes bijzondere aandacht bij het ontwerpen van koelsystemen. De optimale prestaties worden vaak bereikt door een balans te vinden die voldoende warmteoverdracht mogelijk maakt zonder vroegtijdige droogloop of verstoring van de vloeistofstroming te veroorzaken. Deze delicate afstemming vraagt een diepgaand begrip van zowel de fysische mechanismen als de praktische implicaties voor industriële koelingstoepassingen.