Vid kokning på porösa ytor, särskilt för emulsioner, har det visat sig att värmeöverföringen och tryckfallet kan skilja sig markant jämfört med vanliga vätskor som vatten. En rad experimentella resultat har visat hur olika porstorlekar och emulsioners volymfraktioner påverkar de termiska egenskaperna på sådana ytor.

För en porös yta med en gapstorlek Dh = 500 μm, är kokkurvan och värmeöverföringskoefficienten liknande de för vatten vid låga väggtemperaturer för alla volymfraktioner. Detta innebär att vid låg väggtemperatur (Tw < 80 °C) är beteendet för vatten och emulsioner ganska likartat. Dock, för högre väggtemperaturer (Tw > 80 °C) tenderar vatten att visa en förskjutning mot högre väggtemperaturer samt en minskning i värmeöverföringskoefficienten. Emulsionerna däremot uppvisar en något ökande värmeöverföringskoefficient med stigande väggtemperatur, vilket beror på den minskade värmeöverföringskoefficienten för vatten. För gapstorleken Dh = 1000 μm är kokkurvorna för både vatten och alla emulsioner väldigt lika. Här är värmeöverföringskoefficienten för vatten något högre vid lägre Tw, men för Tw > 70 °C börjar värmeöverföringskoefficienten för emulsionerna att överträffa vatten, vilket förklaras av det ökade bidraget från den dispergerade komponenten när den kokar.

Det är också intressant att notera tryckfallet på den porösa ytan. För Dh = 200 μm och 1000 μm är tryckfallet högre för emulsioner än för vatten vid alla volymfraktioner. För ε = 2 % i det 200 μm gapet visar tryckfallet ett intressant beteende: istället för att öka gradvis med stigande Tw, sker en plötslig ökning vid Tw = 71 °C, vilket sammanfaller med en signifikant ökning i värmeöverföring. Detta kan tyda på att övergången till kokpunkten för emulsioner sker på en annan termodynamisk nivå än för vatten.

Jämfört med ytor med större gapstorlekar, såsom Dh = 500 μm, minskar värmeöverföringskoefficienten för alla emulsioner i relation till kokningen av vatten på de mikroporösa ytorna. Den största skillnaden observeras för Porös Yta 1, som har den högsta värmeöverföringskoefficienten för kokning av vatten, men en lägre koefficient för emulsioner. För en massflödeshastighet (G) på 350 kg/m²s uppvisar ytorna Porös Yta 2 och 3 liknande termiskt beteende. Vid högre flöden (G = 550 kg/m²s) visade de porösa ytorna en högre värmeöverföringskoefficient än den släta ytan, men förväntad förskjutning i kokkurvan skedde vid högre väggtemperaturer för vissa ytor.

Det är också viktigt att observera att de mikroporösa ytorna med gapstorlekar på 1000 μm visade överlägsen värmeöverföringseffekt när det gäller kokning av emulsioner, i jämförelse med kokning av vatten. Här sker en märkbar förskjutning mot lägre väggtemperaturer för Porös Yta 1, medan för de större gapstorlekarna mellan 500 och 1000 μm, sågs en ökning i både värmeöverföringskoefficienten och tryckfallet för emulsionerna, vilket gjorde dessa ytor mer effektiva för värmeöverföring än släta ytor.

Slutligen, i experimenten där gapstorlekar och massflöden varierade, observerades att det finns en ökad variation i tryckfallet för emulsioner i förhållande till vatten på porösa ytor. Detta tryckfall är inte bara beroende av gapstorlek, utan även av volymfraktionen av dispergerade faser i emulsionerna, vilket är en viktig aspekt att förstå för att optimera kokningssystem i tekniska tillämpningar.

För den som arbetar med design av värmeöverföringssystem eller studerar fysiska fenomen vid kokning, är det avgörande att förstå hur olika emulsioner och gapstorlekar påverkar både värmeöverföring och tryckfall. Att välja rätt typ av porös yta och optimera gapstorleken kan ge betydande förbättringar i både prestanda och effektivitet, särskilt vid högre temperaturer och massflöden. Dessutom måste man ta hänsyn till att emulsionernas sammansättning och volymfraktioner kan påverka dessa fenomen på komplexa sätt.

Hur påverkar gapstorlek och flödesregim värmeöverföring i mikrokanaler och mikrogap?

För ett gap på 1 mm med massflöde 52 < G < 208 kg/m²s faller all data inom det annulära flödesregimen. För ett gap på 0,4 mm med G = 100 och 200 kg/m²s tenderar de flesta av data att vara inom det annulara flödesregimen, men vissa punkter med låg kvalitet hamnar inom det intermittenta flödet. Tidigare kartor för R113 har visat att annularflöde är mer utbrett vid mindre gapstorlekar, och närvaron av intermittenta flöden i det mindre gapet i [37] men inte i det större gapet i [32] kan bero på skillnader i systemtrycket. Experimenten för det 0,4 mm stora gapet genomfördes vid ett tryck på 219 kPa, medan experimenten för det 1 mm stora gapet genomfördes vid 108 kPa.

Flödesregimer som uppstår under kokning och värmeöverföring har studerats med hjälp av högupplöst videografi av Harirchian och Garimella [29, 30] och Alam et al. [31–35]. Harirchian och Garimella undersökte kokning av FC-771 i mikrokapillära kanaler och ett mikrogap med Dh = 707 μm, med massflöden mellan 225 och 1420 kg/m²s. De observerade flera subregimer av intermittenta flöden mellan bubbelflöde och annularflöde. Förutom slagflöde observerade de churn-flöde (ett flödesregim liknande slagflöde men med mindre, oregelbundna ångstrukturer och mycket mer kaotisk blandning än i slagflöde) och wispy-annularflöde (ett flödesregim som liknar annularflöde, men med en tjockare vätskefilm på väggen och stora vågstrukturer som gör det möjligt för ångan att få med sig större droppar i ångkärnan). I mikrogapet med bredd 5850 μm rapporterar de att en mångfald av dessa regimer kan existera sida vid sida, vilket beror på det stora aspektförhållandet (se Fig. 3.1). Vid låga väggvärmeflöden dominerar bubbelflöde, och när väggvärmeflödet ökar ersätts bubbelflödet av intermittenta churn- och wispy-annularflöden, följt av churn-annularflöde vid ännu högre värmeflöden. Med ökande massflöde sträcker sig bubbelflödet över ett mycket bredare intervall av värmeflöde.

Harirchian och Garimella betonar vidare skillnaderna mellan flödesregimerna i kanaler med 100–250 μm och kanaler med 400–5850 μm bredd för att särskilja mikrokapillära kanaler och mikrogap baserat på flödesregim. Alam et al. observerade bubbelflöde, slagflöde och annularflöde i mikrogap med en bredd på 12,7 mm och en höjd mellan 80 och 1000 μm. För samma värme- och massflöden tenderar bubbelflöde att dominera i de större gapen, och flödesregimen skiftar till slagflöde och sedan annularflöde vid minskande gapstorlek [31, 32, 35]. De noterar också att flödesförhållandena var ostadiga, med varierande flödesregimer vid samma experimentella förhållanden. Vid en given gapstorlek, massflöde och väggvärmeflöde observerades bubbelflöde, slagflöde och annularflöde sekventiellt när bubblorna nucleerade, växte, sammanslogs och flödade nedströms [32, 33, 35].

Det är intressant att notera att även om de observerade trenderna är lika, har det ännu inte gjorts jämförelser mellan de flödesregimer som ses med hjälp av videografi och de som förutsägs av Taitel-Dukler-kartan för ett givet experimentellt tillstånd. Därmed har noggrannheten hos Taitel-Dukler-kartan för den lilla skalan ännu inte bekräftats.

Värmeöverföringen i dessa system påverkas av flera faktorer, inklusive flödesregimen, gapstorlek, massflöde, vätsketyp, inloppets subkylning (dvs. skillnaden mellan mättnadstemperaturen och bulktemperaturen vid inloppet) och väggens tillstånd. Bar-Cohen och Rahim [26] samt Alam et al. [35] visar att förändringar i lutningen för kokkurvan eller värmeöverföringskoefficienten korrelerar med förändringar i flödesregimen. Det har observerats att högre värmeöverföringskoefficienter uppmäts när flödet övergår från bubbelflöde till slagflöde och annularflöde på grund av effektiviteten av förångningen i den tunna vätske-filmen runt väggen.

Effekten av gapstorlek på värmeöverföringen undersöktes i [31, 32, 39–41]. Kokkurvan förflyttas generellt till lägre väggtemperaturer, och värmeöverföringskoefficienten ökar med minskande gapstorlek, särskilt vid väggtemperaturer nära ONB (Onset of Nucleate Boiling). Detta kan bero på den tidiga övergången till annularflöde i mindre gap. Trots de högre värmeöverföringskoefficienterna nära ONB resulterar den tidiga övergången till annularflöde också i en tidigare övergång till CHF (Critical Heat Flux). Vid högre väggtemperatur och värmeflöde kan mindre gap därför ha lägre värmeöverföringskoefficienter än större gap vid samma värmeflöde, och CHF-värden är generellt lägre för mindre gap [39].

Massflödet påverkar också värmeöverföringen. I en enda fas minskar massflödet väggtemperaturen och ökar värmeöverföringskoefficienten, vilket är typiskt för konventionell kokning. Emellertid innebär de högre väggtemperaturerna för lägre massflöde att kokningen initieras vid lägre värmeflöde, vilket kan resultera i större värmeöverföringskoefficienter vid låga värmeflöden för lägre massflöden [31]. Ökande massflöde fördröjer också uppkomsten av CHF på grund av den effektiva en-fas kylningen vid högre flödeshastigheter samt den fördröjda övergången till annularflöde (se Fig. 3.1).

Geometrin för inlopp och utlopp har en betydande inverkan på värmeöverföringen och vätskeflödesegenskaperna. Därför kan en jämförelse av olika vätskor endast uppnås när de används i samma experimentella uppställning. Studier av vatten och FC-72 [40] samt vatten och Novec 7200 och 7300 [41, 42] visar att användningen av vatten resulterar i större värmeöverföringskoefficienter både i enkel- och tvåfasflöden på grund av dess högre specifika värme, latent värmeförångning och termisk ledningsförmåga.

Vad gör Route 66 till en så ikonisk väg, och varför ska man uppleva den?
Vilken är den minsta droppstorleken som initierar kokning i turbulenta emulsioner?
Hur kan Blockchain förbättra IoT-säkerhet?
Hur fotovoltaik (PV) revolutionerar byggd miljö och energi: En global översikt
Hur djupinlärning förbättrar utbytet inom halvledartillverkning