I experimentella studier på kokning av vatten i mikrogap har det framkommit att tryckfallet är starkt beroende av den hydrauliska diametern, massflödet och värmeflödet. Vid en enkel fasflöde observeras en ökning av tryckfallet när den hydrauliska diametern minskar, och den här effekten förstärks när kokning inträffar. I mindre gap där kokning initieras kan tryckfallet öka dramatiskt. För större hydrauliska diametrar minskar dock påverkan av kokning på tryckfallet. Vid ett massflöde på 150 kg/m²s i ett gap på 1000 μm är tryckfallet stabilt, även när kokning initieras. Detta indikerar att tryckfallet påverkas olika beroende på gapstorlek och massflöde.

Vid högre massflöden, som 350 och 550 kg/m²s, förblir tryckfallet oförändrat även när kokning inträffar för hydrauliska diametrar på 500 μm och 1000 μm. Kokning leder alltså inte alltid till en markant ökning av tryckfallet i dessa fall, vilket tyder på att flödesdynamiken förändras vid olika massflöden. Den här observationen har stor betydelse för designen av mikrogapsystem, där tryckfall kan påverka effektiviteten i värmeöverföring och det övergripande flödesbeteendet.

För att mäta värmeöverföringskoefficienten i dessa system används Nusselt-tal, vilket är en dimensionlös form av värmeöverföringskoefficienten. I flödeskokning av vatten är Nusselt-talet en funktion av Reynolds- och Boiling-tal, som tillsammans beaktar påverkan av den hydrauliska diametern, massflödet och värmeflödet. Genom att relatera dessa dimensionlösa grupper går det att få en bättre förståelse för hur systemets egenskaper påverkar värmeöverföringen. I de experiment som utfördes, där endast vatten användes, bortsågs från Prandtl-talet eftersom det inte påverkade resultaten märkbart.

När man studerar tvåfasflödet visade resultaten en nästan linjär relation mellan Nusselt-tal och Reynolds-Böling-tal. Hydrauliska diametern och massflödet beaktades i dessa två dimensionlösa grupper, vilket innebär att de har en betydande påverkan på värmeöverföringen vid kokning. Det framkom att när värmeflödet ökar och kokning startar, påverkas tryckfallet och Nusselt-talet i hög grad av dessa grupper.

Vid högre inloppstemperaturer, såsom 51 °C och 70 °C, visar resultaten en dramatisk ökning i Nusselt-talet, särskilt när kokning sker vid lägre värmeflöden. Detta sker därför att kokning initieras vid lägre temperaturer på ytan, vilket minskar skillnaden mellan väggens och vätskans temperaturer. Ju högre inloppstemperatur, desto starkare påverkar denna effekt kokningen, vilket leder till en kraftigare förändring i värmeöverföringen.

För att förstå dessa processer är det också viktigt att ta hänsyn till Jakobs tal, som kan användas för att beskriva nivån av underkylningskokning. Genom att använda en kombination av Jakobs, Reynolds, Böling och Nusselt-tal, kan man skapa en korrelation för att förutsäga värmeöverföringens effektivitet i dessa mikrogapsystem. I de experiment som utfördes visade det sig att 98 % av kokningsdata låg inom ±30 % av de förutspådda Nusselt-talen, vilket innebär en mycket bra överensstämmelse mellan experimentella resultat och förväntade modeller.

I mikrogapsystem där kokning är en viktig del av värmeöverföringsprocessen, är det avgörande att beakta effekten av både gapstorlek och massflöde. Dessa faktorer påverkar både tryckfallet och värmeöverföringens effektivitet. Även om kokning vid högre flöden inte alltid medför ett stort tryckfall, måste dessa parametrar noggrant beaktas vid utformningen av sådana system för att maximera prestanda.

Hur påverkar emulsioner värmeöverföring vid kokning på porösa ytor?

Vid kokning av emulsioner på porösa ytor är det tydligt att emulsionernas volymfraktioner har en signifikant inverkan på värmeöverföringen och tryckfallet. För en volymfraktion av dispergerad komponent på ε = 0,1 % ses en märkbar ökning av värmeöverföringskoefficienten när kokningen börjar, vilket indikerar att emulsionen förbättrar överföringen av värme i denna konfiguration. För högre volymfraktioner, såsom ε = 0,5 %, 1 % och 2 %, sker ökningen av värmeöverföringskoefficienten mer måttligt över temperaturområdet 56 < Tw < 100 °C. Detta kan främst tillskrivas en minskning av värmeöverföringskoefficienten för rent vatten vid högre väggtemperaturer. Emulsionerna visar ett liknande mönster för alla volymfraktioner vid Dh = 500 μm, där förbättringen av värmeöverföringen jämfört med vatten i huvudsak beror på att vattenets värmeöverföringskoefficient minskar vid högre väggtemperaturer.

För en ännu större partikeldiameter (Dh = 1000 μm) verkar emulsionerna förskjuta kokningskurvan något till vänster och ge något högre värmeöverföringskoefficienter, med den största förbättringen vid ε = 2 %. Detta antyder att större emulsioner, eller droppstorlekar, kan bidra till en effektivare värmeöverföring vid vissa specifika temperaturer, särskilt vid högre väggtemperaturer.

Det bör noteras att för porösa ytor med olika struktur, såsom Porous Surface 1, Porous Surface 2 och Porous Surface 3, uppträder olika resultat. På Porous Surface 1, där det finns ett mer tätt packat pormönster, ses lägre värmeöverföringskoefficienter jämfört med de mer öppna porstrukturerna på Porous Surface 2. Den öppna porstrukturen på Porous Surface 2 underlättar en mer effektiv bubbelnukleering i de mikroporer som bildas, vilket i sin tur förbättrar värmeöverföringen. Detta tyder på att ytor med större porer och mer öppna strukturer är mer fördelaktiga för kokning av emulsioner, särskilt när det gäller att upprätthålla en hög värmeöverföringseffektivitet.

En annan viktig aspekt som framkommer är tryckfallet under kokning. För vissa av de testade ytorna, som på Porous Surface 2 med Dh = 500 μm, observeras att tryckfallet för emulsioner med ε = 0,1 % är mycket lägre än för vatten, vilket tyder på att emulsionerna kan ge en effektivare värmeöverföring med mindre energiförlust på grund av tryckökning. Vid högre volymfraktioner, som ε = 2 %, tenderar tryckfallet att öka, vilket är en konsekvens av emulsionernas ökad viskositet och interaktioner mellan partiklar och väggarna i det porösa materialet.

Slutligen är det också viktigt att beakta att även om emulsionernas fördelar i värmeöverföring är tydliga i vissa fall, kan det finnas trade-offs med andra faktorer som påverkar effektiviteten av systemet, som tryckfallet och väggens temperaturkompatibilitet. Dessa faktorer måste beaktas noggrant när man designar och optimerar system för kokning med emulsioner på porösa ytor.

Hur påverkar emulsioners fysikaliska egenskaper värmeöverföringen vid kokning?

Vid kokning av dispergerade komponenter sker en betydande del av processen vid väggarna. Våra experimentella resultat visar att beroende på den specifika kombinationen av volymfraktion, massflöde, gap-höjd och värmeflöde, kan värmeöverföringen både försämras och förbättras jämfört med enkelkomponentsystem. Generellt sett minskar värmeöverföringen vid ökande massflöde, minskande gap-höjd och ökande volymfraktion. När emulsionen börjar koka, ökar dock värmeöverföringskoefficienten, även om den kan vara lägre än den för enkelkomponentflöde vid samma experimentella förhållanden över ett brett spektrum av väggvärmeflöden.

Dessa resultat tyder på att åtminstone två mekanismer för värmeöverföring är aktiva samtidigt – en som minskar och en som ökar värmeöverföringen. Föreställ er en emulsion med volymfraktion ε som flödar med massflöde G i ett gap av höjd H. För att vara i linje med de experimentella resultaten, är flödet helt utvecklat och sker över en yta som värms underifrån med ett konstant värmeflöde, q″, vilket får ett termiskt gränsskikt att utvecklas. Här betraktas en slät yta. När den dispergerade komponenten har högre densitet än den kontinuerliga komponenten tenderar dropparna i gapets mitt att sjunka mot den uppvärmda ytan. När en droppe rör sig från ett område med högre hastighet till ett med lägre hastighet, upplever den ett drag mot sin rörelse, vilket gör att droppens tröghet minskar och droppen rör sig ytterligare mot väggen.

När droppen rör sig mot ytan kan uppvärmning från väggen orsaka rotation inom droppen, vilket resulterar i en Magnus-lyftkraft på droppen. Därmed avgörs om en enskild droppe kommer i kontakt med den uppvärmda ytan genom en balans mellan dessa krafter. Det är viktigt att förstå att dessa krafter också skulle vara närvarande om flödet inte är fullt utvecklat och ett hydrauliskt gränsskikt växer. I detta fall kan kraften från draget vara större, då skillnaden mellan droppens hastighet och den lokala flödeshastigheten blir större när den går in i gränsskiktet.

När droppar kommer i kontakt med ytan, kan de agglomerera och bilda ett lager över delar av ytan. Inom detta lager är den primära mekanismen för värmeöverföring ledning. Om den dispergerade komponenten har lägre termisk ledningsförmåga än den kontinuerliga komponenten, som i detta fall, kommer förekomsten av detta lager att minska värmeöverföringen till den del av ytan som är täckt av lagret. Om yttemperaturen är tillräckligt hög för att orsaka nukleation inom lagret, kommer en del av den dispergerade komponenten att koka på ytan, och ångbubblor kommer att stiga upp i flödet. Detta leder till ökat blandning i flödet och därmed till ökad värmeöverföring.

Således styrs den totala effekten på värmeöverföring av antalet droppar som deponeras på ytan, nd; ytan som täcks av lagret, Ao; antalet droppar som kokar på ytan, nb (eller volymen av vätska som frigörs och skulle motsvara nb droppar); och ytan, Ae, som exponeras för flödet och kan kylas genom blandning. Eftersom två mekanismer för värmeöverföring samexisterar, kan den totala värmeöverföringskoefficienten bestämmas genom superposition. De två mekanismerna påverkar olika delar av väggen, så värmeöverföringskoefficienten för varje måste även partitioneras efter ytan där den gäller.

Koherensen för varje mekanism kan uttryckas som hA = hfilmAo + hmixAe, där Ao är den yta som täcks av droppfilmen och Ae är ytan som exponeras för emulsionen. Värmeöverföringskoefficienten för droppfilmen bestäms av den termiska ledningsförmågan och filmens tjocklek, medan hmix beaktar värmeöverföring i den kontinuerliga komponenten på grund av flödet och den blandning som orsakas av ångfrigöringen vid väggen.

Vidare kan ytorna Ao och Ae skrivas i termer av droppens diameter, d, nd, nb, och t. Förväntas att nd och nb är proportionella mot ε och beroende på olika system- och flödesparametrar, Dh, G och μc. Filmens tjocklek, t, är proportionell mot d och möjligen ε om filmen är mer än en dropptjock. För att slutföra en sådan modell krävs bestämning av värmeöverföringskoefficienten hmix och effekten av olika flödesparametrar på nd och nb. Målet är inte att avsluta denna modell utan att förstå mekanismer för att fastställa lämpliga parametrar för korrelation av emulsionsdata.

Vid analys av resultaten från experimentet och de föreslagna mekanismerna, antyds flera systemegenskaper som kan användas för att korrelera emulsionskokningsdata: kd, d, Dh, μc, ρd/ρc, G, hfg, Cp,c, ε, q″, h. Dessa parametrar föreslår att sju dimensionslösa grupper behövs för att korrelera data från emulsionskokning.

Slutligen är det väsentligt att förstå att medan dessa mekanismer och deras inverkan på värmeöverföringen kan vara komplicerade, är de centrala för att förstå och optimera kokningssystem med dispergerade komponenter. Denna typ av värmeöverföring är inte enbart beroende av de materiella egenskaperna för de ingående komponenterna, utan även av flödesdynamik och ytförhållanden som kan ha stor påverkan på den totala värmeöverföringen.

Hur olika egenskaper hos emulsioner påverkar värmeöverföring vid kokning
Hur fungerar solenergi och varför är det viktigt för kunden?
Hur Trump Använde Migrantkaravanen för att Mobilisera Stöd och Främja Sin Agenda
Hur påverkar vätskebatteriers mekanism och egenskaper deras prestanda och framtida tillämpningar?