Wanneer de bulktemperatuur van een emulsie wordt verhoogd tot 99 °C — dicht bij het verzadigingspunt van water — verdubbelt de warmteoverdrachtscoëfficiënt in het natuurlijke convectieregime voor zuivere PMS300 bijna. De warmteoverdracht in de emulsie zelf is ook merkbaar hoger dan bij natuurlijke convectie bij 40 °C. Bij verdere verhoging van de wandtemperatuur daalt deze coëfficiënt echter tot ongeveer 140 °C, waarna opnieuw een toename wordt waargenomen. Deze trend doet zich voor bij zowel een lage (ε = 0,8%) als een hogere (ε = 3,2%) volumefractie van de gedispergeerde fase, hoewel de afname in warmteoverdrachtscoëfficiënt minder uitgesproken is bij de lagere volumefractie.

Opmerkelijk is dat bij een bulktemperatuur van 99 °C de warmteoverdrachtscoëfficiënten over het gehele temperatuurbereik hoger zijn dan bij lagere bulktemperaturen. Dit impliceert een duidelijke afhankelijkheid van het initiële thermodynamische evenwicht van het systeem.

Verschillende studies, zoals die van Gasanov en Bulanov, tonen aan dat de grootte van de waterdruppels in emulsies zoals water-in-PES5 of water-in-VM1S olie een kritische invloed heeft op het kookgedrag. Emulsies worden hierbij geclassificeerd als “grofkorrelig” (d ~ 20–30 μm) of “fijnkorrelig” (d ~ 1–2 μm). Hoewel in het regime van natuurlijke convectie de druppelgrootte de warmteoverdrachtscoëfficiënt niet significant beïnvloedt, verschuift de kookcurve bij grofkorrelige emulsies naar lagere oppervlaktetemperaturen. Bij fijnkorrelige emulsies daarentegen treedt koken pas op bij aanzienlijk hogere wandtemperaturen.

Deze observatie is te verklaren aan de hand van de oppervlaktedruk die stijgt met afnemende druppeldiameter volgens de relatie ΔP ~ σ/d. Hierdoor stijgt de verzadigingstemperatuur van de gedispergeerde component in fijnkorrelige emulsies. Echter, het temperatuurverschil dat experimenteel is vastgesteld — tot 70 °C tussen grof- en fijnkorrelige emulsies — kan niet uitsluitend worden toegeschreven aan oppervlaktespanning. Dit suggereert dat bijkomende factoren, zoals interacties op microschaal of energiebarrières bij nucleatie, een rol spelen.

Fijnkorrelige emulsies tonen bovendien een lichte temperatuurovershoot bij het kookpunt, die afneemt bij toenemende warmtestroom. Bij hoge warmtestromen vallen de kookcurven van fijn- en grofkorrelige emulsies samen. Dit duidt op een gemeenschappelijk eindgedrag wanneer de warmteflux de dominante factor wordt in plaats van de morfologie van de disperse fase.

Een ander onderbelicht maar cruciaal aspect is de verdeling van druppelgroottes. De meeste analytische modellen gaan uit van een monodisperse structuur, terwijl experimentele gegevens wijzen op niet-Gaussiaanse of zelfs bimodale distributies. Deze variatie beïnvloedt de nucleatiesnelheid, die fundamenteel probabilistisch is. Ondanks het belang ervan is dit fenomeen experimenteel nauwelijks onderzocht.

De invloed van de volumefractie van de gedispergeerde fase op de warmteoverdracht is beter gedocumenteerd. Tot een grenswaarde van ε ≈ 1% leidt een verhoging van de volumefractie tot een tweevoudige tot viervoudige stijging van de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Daarboven vervaagt dit effect, en blijft de coëfficiënt quasi constant ongeacht verdere verhoging van ε.

De rol van additieven zoals actieve kool, zeolieten en oppervlakteactieve stoffen zoals natriumhydraat en trinatriumfosfaat is complex. Actieve kool verlaagt het kookpunt van water-in-PES5 emulsies met 10–15 °C, vermoedelijk door nucleatie op kleine vlokjes die atmosferische gassen adsorberen. In tegenstelling hiermee veroorzaakt actieve kool in n-pentaan-in-glycerine-emulsies juist een vertraging van de kookinitiatie en een verschuiving van de kookcurve naar hogere temperaturen. Dit verschil wordt toegeschreven aan het feit dat flocculatie in olie-in-olie-emulsies wordt onderdrukt.

Zeolieten daarentegen verhogen het kookpunt, afhankelijk van hun concentratie. Hun hygroscopisch karakter leidt tot wateradsorptie en dus een verminderd aantal nucleatieplaatsen. Toch blijkt bij hogere warmtestromen dit effect te vervagen en convergeren de resultaten met die van emulsies zonder zeolieten.

Wat betreft oppervlakteactieve stoffen toont het onderzoek aan dat bij lage ε de aanwezigheid ervan de initiële kooktemperatuur verhoogt, terwijl bij hoge ε of verhoogde temperaturen de warmteoverdracht juist toeneemt. Dit duale gedrag benadrukt de complexiteit van de interactie tussen chemie en thermische dynamiek in emulsies.

Hoewel sommige studies, zoals die van Bulanov en Gasanov, waardevolle inzichten leveren in de invloed van deze variabelen, blijft het mechanisme waarmee surfactanten en andere stabiliserende stoffen de warmteoverdracht beïnvloeden grotendeels onduidelijk. De experimentele gegevens laten geen eenduidige trends zien, wat erop wijst dat de effecten sterk afhankelijk zijn van het specifieke systeem, de gebruikte materialen en de experimentele configuratie.

Om de warmteoverdracht in emulsies volledig te begrijpen, is het essentieel om verder onderzoek te doen naar heterogene druppelverdelingen, de rol van massaoverdracht, en de precieze interacties tussen surfactanten en de microstructuur van de emulsie. Alleen met deze inzichten kan men streven naar een coherente theorie van warmteoverdracht in complexe vloeibare systemen.

Hoe versnelt kettingreactie-koken de warmteoverdracht in verdunde emulsies?

Wanneer een dampbel in contact komt met een oververhitte vloeistofdruppel, kan dit het evenwicht van die metastabiele druppel verstoren en leiden tot onmiddellijke verdamping. In een systeem waar meerdere van dergelijke druppels aanwezig zijn, kan dit contact een cascade-effect veroorzaken: een kettingreactie van druppels die elkaar tot koken aanzetten. Deze dynamiek is cruciaal voor het begrijpen van warmteoverdracht in kokende emulsies, vooral in microschaalstructuren zoals microgaps. De snelheid waarmee deze druppels koken en andere beïnvloeden bepaalt uiteindelijk de frequentie en intensiteit van nieuwe dampbelvorming, en dus ook het tempo van warmteoverdracht.

De vorming van een dampbel verloopt via twee fysisch verschillende mechanismen. Eerst is er de inertiagedreven groei: een snelle expansie die voortkomt uit het drukverschil tussen de dampbel en de omliggende vloeistof. Daarna volgt de thermisch gedreven groei, die trager is en bepaald wordt door warmtediffusie en faseovergang aan het damp-vloeistofgrensvlak. Beide mechanismen bepalen gezamenlijk de groeisnelheid van de dampbel en dus het tempo waarmee nieuwe druppels worden geactiveerd in de kettingreactie.

Het model van Roesle en Kulacki biedt een diepgaande beschrijving van deze verschijnselen binnen het kader van de RANS-benadering (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). De fundamentele strategie van dit model is het splitsen van elke variabele in een gemiddelde component en een fluctuatiecomponent. Hierdoor kunnen gemiddelde stromingsvelden worden berekend, terwijl turbulente bijdragen via additionele spannings- of transportsmodellen worden meegenomen.

Voor de simulatie van kokende emulsies onderscheiden zij drie fasen: een continue vloeistoffase, een gedispergeerde vloeistoffase (de druppels) en een dampfase (de bellen). Elke fase wordt beschouwd als een incomprimeerbare Newtoniaanse vloeistof. Massaproductie vindt enkel plaats bij faseovergangen: wanneer druppels koken, neemt de massa van de dampfase toe ten koste van de vloeibare disperse fase. De massaoverdrachtsbron wordt numeriek bepaald via vier mechanismen: koken door contact met verwarmde oppervlakken, koken bij botsingen tussen dampbellen en druppels, spontane nucleatie en condensatie in ondergekoelde gebieden. De eerste twee zijn dominant.

Hoewel experimenteel niet altijd duidelijk is of koken optreedt bij contact met een oppervlak of in de vrije stroming, wordt in het model aangenomen dat elk contact met het oppervlak onmiddellijk koken veroorzaakt, vanwege het hoge temperatuurverschil met het verzadigingspunt van de disperse component. Hierdoor wordt de randvoorwaarde zo ingesteld dat de massatoename van de dampfase bij het oppervlak gelijk is aan de massaverlies van de druppelfase.

Druppels die in de vrije stroming koken kunnen andere oververhitte druppels tot koken aanzetten, waardoor de kettingreactie wordt voortgezet. Het aantal botsingen dat hierbij leidt tot koken, wordt bepaald met behulp van statistische mechanica. Belangrijk hierin is de botsingsefficiëntie tussen dampbellen en vloeistofdruppels. Deze efficiëntie wordt opgenomen in een formule voor massaproductie als gevolg van botsingen, waarbij ook factoren zoals relatieve snelheid en druppelgroottes een rol spelen.

Spontane nucleatie wordt in dit model uitgesloten als bron van dampvorming, aangezien de meeste emulsies ver onder de kinetische limiet voor spontane nucleatie opereren. Condensatie wordt wel in rekening gebracht, maar enkel in gebieden waar de temperatuur onder het verzadigingspunt ligt. Dit proces wordt gemodelleerd via klassieke warmteoverdrachtsmodellen rond een bolvormige dampbel.

Voor het momentumtransport worden alleen interactiekrachten tussen de continue fase en de andere twee fasen meegenomen. Er wordt aangenomen dat onder verdunning druppels en bellen onderling geen impuls uitwisselen. De relevante interfasekrachten zijn de klassieke Stokes-drags, waarbij effecten zoals virtuele massa, lift en rotatie worden verwaarloosd.

Turbulentie, voortkomend uit de kettingreacties en beweging van druppels en bellen, wordt in de continue fase meegenomen als een analoog aan eddies in klassieke turbulente stroming. De turbulente viscositeit wordt daarom enkel gedefinieerd voor de continue fase, aangezien in de gedispergeerde

Hoe kan corrosie in de voedings- en drankenindustrie effectief worden beheerst en begrepen?
Hoe Photoredox Katalyse Chiraal Azaarene Derivaten Produceert en Toepassingen in de Farmaceutische Chemie
Hoe kan een hotelopleiding het leven transformeren en financiële zelfstandigheid bieden?
Hoe beïnvloedde de Christian Coalition de Amerikaanse politiek in de jaren 90?
Hoe Maak Je De Perfecte Soep en Hapjes Voor de Koude Maanden?