Hur olika egenskaper hos emulsioner påverkar värmeöverföring vid kokning

Värmeöverföring vid kokning av emulsioner är ett komplext fenomen som påverkas av flera faktorer, däribland användning av tensider, droppstorlek, koncentration, och vätskornas fysikaliska egenskaper. Forskning har visat att emulsioner, exempelvis vatten-i-olja eller olja-i-vatten, kan uppvisa olika värmeöverföringsegenskaper jämfört med ren vätska. Specifikt har studier som involverar natriumoleat som tensid visat att den minskar den naturliga konvektionen innan kokning initieras, och effekten blir mer uttalad med ökad oljefasvolym. När kokning väl börjar, flyttar närvaron av natriumoleat kokningskurvan till lägre yttemperaturer jämfört med experiment utan tensider.

En intressant observation gjordes av Ostrovskiy, som undersökte kokning av olika vatten-i-vätska emulsioner, inklusive vatten-i-R113, vatten-i-bensen och vatten-i-butylalkohol. Ostrovskiy noterade att kokningen av dessa emulsioner inte påverkades av någon tensid och att emulsionerna kontinuerligt rördes om för att bibehålla suspensionen. För vatten-i-R113 emulsionen uppmättes värmeöverföringskoefficienterna vara nästan lika med de som uppmättes vid kokning av R113 utan dispergerad fas. Liknande resultat observerades för vatten-i-butylalkohol och vid högre värmeflöden för vatten-i-bensen.

Systemets egenskaper spelar en betydande roll för värmeöverföring i tvåfasiga system. Till exempel, om några av de beroenden som gäller för enfasiga system även gäller för tvåfasiga, kan man förvänta sig att Nusselt-tal är beroende av Rayleigh-tal vid poolkokning eller Reynolds- och Prandtl-tal (Peclet-tal) vid flödeskokning. Därutöver tillkommer dimensionlösa parametrar som beaktar latent värme och ytspänning, såsom kokningens Jakob-tal eller Bond- och Weber-tal. För att förstå värmeöverföring vid kokning är det också viktigt att beakta interaktionen mellan de två vätskorna i emulsionen.

För pentan-in-water emulsioner observerades ett liknande fenomen men med vissa skillnader. Den naturliga konvektionsvärmeöverföringskoefficienten var lägre än för vatten, men minskningen var mindre markant jämfört med FC72-emulsionen. Detta beror troligen på den lägre densiteten hos pentan, vilket gör att det inte lika gärna täcker ytan och minskar värmeöverföringskoefficienten som vid användning av FC72. En ytterligare observation var att pentan-in-water emulsioner visade större värmeöverföringskoefficienter efter kokningens initiering jämfört med vatten.

Flera faktorer påverkar också kokningens dynamik. Till exempel visade experiment med FC72 och pentan att värmeöverföringskoefficienterna var beroende av temperaturen på kokningsytan. För mycket tunna emulsioner kan det även uppstå en fördröjning i kokningens övergång från vätska till ånga, vilket kan leda till en temperaturöverskridning vid kokningens start. Detta beror på att emulsionens droppar av den dispergerade fasen behöver nå kokningstemperaturen innan kokningen kan påbörjas. Vid högre volymfraktioner minskar denna fördröjning eller försvinner helt.

En viktig aspekt att beakta vid analysen av kokning i emulsioner är massöverföringens påverkan. Vid uppvärmning nära koktemperatur kan överföring av massor i form av ångbubblor spela en avgörande roll för dynamiken i kokningen. Detta är särskilt märkbart vid emulsioner med låg volymfraktion av dispergerade faser, där kokbubblor måste ha tillräcklig tid att bildas innan nästa bubbla kan initieras, vilket leder till temporära temperaturöverskridningar.

Flera studier har också undersökt hur olika bulktemperaturer påverkar värmeöverföringen vid kokning. Till exempel visade forskning av Bulanov et al. att vatten-i-PMS300-emulsioner vid bulktemperaturer omkring 40°C visade ungefär samma värmeöverföringskoefficient som PMS300 utan dispergerad fas. Men vid en yttemperatur som var omkring 20°C högre än vattnets mättnadstemperatur, visade emulsionen en betydande ökning i värmeöverföringskoefficienten, nästan dubbelt så mycket som för PMS300 vid yttemperaturer upp till 230°C.

När man analyserar emulsioners värmeöverföringsegenskaper är det viktigt att förstå hur olika systemparametrar som vätskornas fysikaliska egenskaper, droppstorlek och koncentration av dispergerade komponenter påverkar själva kokningsdynamiken. Särskilt användningen av tensider, som kan stabilisera emulsionen och förändra dess värmeöverföringsegenskaper, har visat sig spela en avgörande roll. Forskning har också visat att vid mycket tunna emulsioner, eller vid höga temperaturer, kan massöverföring vara en viktig faktor för att förklara de observerade temperaturöverskridningarna vid kokningens början.

Vad påverkar kokbeteendet hos emulsioner i värmeöverföring?

När man undersöker kokbeteendet hos emulsioner, särskilt vid användning av videoteknik, ställs forskare inför flera utmaningar. En av de största är hur de olika vätskekomponenterna i emulsionen interagerar med ljuset, vilket gör det svårt att observera de enskilda dropparna. För många av de vätskor som används, som vatten, FC72, pentan och VO1C-olja, är brytningsindex mycket lika, vilket gör det svårt att särskilja de olika komponenterna. Detta innebär att även om kokbeteendet kan studeras med hjälp av videoteknik, är observationerna ofta begränsade. I artiklar som behandlar detta fenomen, har man dock kunnat visa att kokbeteendet följer specifika mönster beroende på de olika vätskeblandningarna.

En annan intressant observation är från studier av FC72-i-vatten-emulsioner [74]. Här har forskarna sett att bubbelformationen är liknande den i pentan-i-vatten-emulsioner, men med skillnaden att vid högre värmeflöde kan bubblorna få stor hastighet och i vissa fall till och med röra sig bort från den uppvärmda tråden och neråt. Även om dessa bubbelformationer kan tolkas som ett tecken på kokning, är det svårt att avgöra exakt vilka komponenter som kokar, eftersom både FC72 och vatten har ett liknande brytningsindex, vilket gör det omöjligt att direkt observera de individuella dropparna.

För att förstå dessa mekanismer bättre krävs det ofta andra tekniker än de som används för att observera bubblornas beteende, som optisk avbildning, eftersom dessa metoder inte tillåter oss att se detaljer om hur dropparna i bulk vätska beter sig. Kokbeteendet för dessa emulsioner innebär att bubblor oftast bildas på den uppvärmda ytan snarare än i den termiska gränsskiktet eller i bulkfasen av emulsionen. Detta är en viktig insikt för att förstå hur värmeöverföring kan påverkas i system där droppar och bubblor är mikroskopiska och deras beteende kan vara mycket snabbt och småskaligt.

När man studerar kokning av emulsioner i ett flödesystem, har det också blivit tydligt att man kan uppnå stora förbättringar i värmeöverföringskoefficienter. Enligt forskning från Gasanov och Bulanov [75] på flödeskokning av vatten-i-VO1C-olja-emulsioner, ökar värmeöverföringskoefficienterna avsevärt när kokning inträffar. Speciellt för emulsioner med större droppar ses en minskning av den kritiska värmeflödet, vilket gör att kokbubblor bildas lättare. För fina emulsioner ses en tydlig ökning av värmeöverföringskoefficienten efter att kokning har startat, och detta ger en signal om hur viktigt det är att förstå sambandet mellan droppstorlek och kokbeteende.

Det är också viktigt att beakta att för olika emulsioner kommer dropparnas storlek och koncentration att påverka kokbeteendet och därmed värmeöverföringskoefficienten. För högre koncentrationer av vätskedroppar, särskilt i flödeskokning, har det visat sig att värmeöverföringsförmågan förbättras. Att förstå den dynamiska interaktionen mellan emulsionens olika komponenter och ytorna den kokar mot är avgörande för att kunna optimera system där kokning och värmeöverföring är centrala processer.

Hur förbättrar mikroporösa ytor kokning och värmeöverföring?

Mikroporösa ytor har visat sig erbjuda betydande förbättringar av kokningens effektivitet jämfört med släta ytor. Detta gäller särskilt för tillämpningar där värmeöverföring är avgörande, såsom i värmeväxlare och kraftsystem. Två huvudsakliga tekniker används för att applicera dessa ytor: manuell beläggning med partiklar, där tjockleken justeras genom mängden material, och elektrolytisk deponering, vilket ger starkare vidhäftning mellan ytan och substratet.

En särskilt effektiv metod för att skapa mikroporösa kopparytor utvecklades av El-Genk och Ali. I denna process används två kopparplattor som placeras horisontellt och parallellt i en elektrolytlösning bestående av svavelsyra och kopparsulfat. När spänning appliceras drivs en tvåstegsreaktion där kopparatomer fälls ut på katoden. Den första fasen, med hög strömtäthet, producerar de flesta kopparatomerna men med svag vidhäftning. Vätgasbubblor som frigörs under denna fas skapar runda porer i materialet. Under den andra fasen appliceras låg strömtäthet under längre tid, vilket stärker bindningarna mellan kopparatomerna och gör strukturen mer robust. Denna efterföljande omstrukturering från dendritisk till rundad geometri ökar också ytans vätbarhet.

Vid kokning på mikroporösa ytor observeras generellt tre huvudsakliga förbättringar: drastiskt reducerad överhettning vid början av kokningen (ONB), en signifikant ökning av den kritiska värmeflödestätheten (CHF), och förbättrad värmeöverföringskoefficient. Den låga ONB beror på porernas förmåga att hålla kvar luft, vilket underlättar bubbelbildning. Den ökade CHF tillskrivs två mekanismer: dels ökad bubbelfrekvens och minskad bubbeldiameter, dels kapillär transport av vätska från porerna till den upphettade ytan. Denna vätsketransport hindrar torkning av ytan och fördröjer övergången till kritisk kokning.

Systemtryck har också en betydande inverkan. Högre tryck sänker ONB och ökar CHF, med en kraftigare påverkan på mikroporösa ytor än på släta. Detta visar hur ytans struktur påverkar inte bara startpunkten för kokning utan också dess stabilitet och maximala värmehanteringskapacitet.

Ytans tjocklek, porstorlek och porositet är avgörande faktorer. Studier visar att ökad tjocklek kan minska överhettningen vid ONB och höja CHF – upp till en viss gräns, varefter effekten avtar. Detta tyder på existensen av ett superhettat vätskelager nära ytan, med en uppskattad tjocklek runt 100 μm. Om beläggningen är tunnare än detta lager, aktiveras hela ytan under nukleär kokning. Om den är tjockare, förblir delar av ytan inaktiv.

För att förstå och vidareutveckla dessa ytor bör man inte endast betrakta de fysikaliska mekan

Hur emulsioner påverkar värmeöverföring vid flödeskokning på släta ytor

Värmeöverföring vid flödeskokning på släta ytor är ett komplext fenomen som påverkas av flera parametrar, inklusive massflöde, gapstorlek och vätskans underkylning. En grundläggande observation vid kokning av vatten på släta ytor är att värmeöverföringskoefficienten ökar med ökat massflöde och minskat gap. Efter att kokningen har startat och innan det kritiska värmeflödet (CHF) inträffar, tenderar alla mätpunkter att sammanfalla på en och samma kurva. Det kritiska värmeflödet (CHF) ökar med större gap och högre massflöde.

För att förstå värmeöverföring vid kokning av emulsioner, där två vätskor blandas, är det nödvändigt att beakta ytterligare komplexiteter. En emulsion är en blandning av två vätskor, där den ena är dispergerad som små droppar i den andra. Vid kokning av emulsioner, ökar värmeöverföringskoefficienten i vissa fall vid ökad volymfraktion upp till 0,1 eller 0,5%. Men att öka volymfraktionen ytterligare till 1 eller 2% ger inga ytterligare fördelar och kan till och med minska värmeöverföringen i vissa experiment.

Det är också viktigt att notera att emulsionens effektivitet för att förbättra värmeöverföringen varierar beroende på gapstorlek och massflöde. Vid större gap och lägre massflöden kan emulsionen förbättra värmeöverföringen jämfört med vatten. Men när gapet minskar och massflödet ökar, tenderar emulsionens värmeöverföring att minska i jämförelse med rent vatten.

För att beskriva värmeöverföringsbeteendet för emulsioner har forskarna identifierat flera viktiga flödes- och systemparametrar. Dessa parametrar har använts för att skapa dimensionlösa grupper som korrelerar värmeöverföringskoefficienten för emulsionen. Genom att använda olika dimensionlösa grupper har värmeöverföringskoefficienten för emulsionen kunnat korreleras mycket väl med experimentella data, där 95,7% av datan ligger inom ±10% av den predicerade värde. Dessa korrelationer ger en bra beskrivning av hur emulsionen beter sig i förhållande till olika variabler, men det är viktigt att notera att dessa korrelationer endast gäller för en specifik kombination av parametrar, inklusive droppdiameter, dispergerad komponent och kontinuerlig komponent.

När det gäller användningen av dessa korrelationer för design är det dock viktigt att vara försiktig. De representerar endast en kombination av parametrar som är specifika för denna studie, och därför bör de inte användas för designändamål utan vidare validering.

Sammanfattningsvis är värmeöverföring vid kokning av emulsioner ett komplext fenomen som beror på en rad olika faktorer, där både flödes- och systemparametrar måste beaktas noggrant. Med hjälp av avancerade korrelationer och dimensionlösa grupper kan man beskriva och förutsäga värmeöverföringens beteende, men ytterligare forskning krävs för att fullt förstå och optimera denna process för praktiska tillämpningar.