Hur påverkar koncentrationen och gapstorlek överföringen av värme i emulsioner under kokning?

För emulsioner med låg koncentration observeras att värmeöverföringen i allmänhet inte skiljer sig avsevärt från den för rent vatten, men det finns några viktiga variationer beroende på emulsionens sammansättning och experimentella förhållanden. Vid kokning i en mikrogap, där vätskorna rör sig med en specifik massflödeshastighet, uppvisar emulsioner vissa intressanta förändringar i sina kokkurvor och värmeöverföringskoefficienter jämfört med rent vatten.

För exempelvis emulsionen med en koncentration på 0,1% ökar värmeöverföringskoefficienten mer än 50% jämfört med vatten under samma experimentella betingelser. Denna förbättring i värmeöverföring är särskilt märkbar vid lägre gapstorlekar (Dh = 1000 μm), där kokkurvan för alla emulsioner förskjuts mot lägre väggtemperaturer, och det största skiftet inträffar vid lägre volymfraktioner. Detta innebär att vid samma gapstorlek är värmeöverföringskoefficienten för emulsioner överlag högre än för vatten, vilket indikerar att emulsionen kan erbjuda effektivare värmeavledning vid specifika kokförhållanden.

Trots att värmeöverföringen i flödande emulsioner ibland liknar den för vatten, påverkas tryckfallet alltid av närvaron av den dispergerade komponenten i emulsionen. Tryckfallet ökar med stigande volymfraktion oavsett gapstorlek. För 2%-emulsionen är tryckfallet generellt 3–5 kPa högre än för vatten. När den dispergerade komponenten, som utgör mindre än 5% av volymen, börjar koka, påverkas inte tryckfallet märkbart. Däremot, när den kontinuerliga komponenten kokar, kan tryckfallet öka dramatiskt.

En annan viktig observation är att tryckfallet för emulsioner vid alla Tw är något högre än för vatten. Men inom det temperaturintervall där emulsionerna uppvisar ökad värmeöverföring jämfört med vatten, medför detta inte någon extra tryckbelastning. Detta innebär att medan emulsionerna kan ge bättre värmeöverföring under vissa kokförhållanden, är den ökade tryckförlusten inte en avgörande faktor för effektiviteten vid de temperaturer som undersökts.

När gapstorleken minskar till 200 μm blir värmeöverföringskoefficienten för emulsionerna lägre än för vatten vid alla massflöden, men med en något större ökning vid högre väggtemperaturer. För gapstorlekar på 1000 μm sker en förskjutning mot lägre väggtemperaturer för alla massflöden, men för vissa flödeshastigheter, såsom G = 350 och 550 kg/m²s, uppvisar emulsionerna högre värmeöverföringskoefficienter än för vatten. Detta innebär att vid vissa massflöden och gapstorlekar kan emulsioner ge fördelaktigare värmeöverföring än rent vatten, särskilt när väggtemperaturen ligger nära mättnadstemperaturen för vätskorna.

När det gäller tryckfallet, som är en annan viktig aspekt av flödande kokning, är tryckfallet för 1%-emulsionen generellt högre än för vatten vid alla flödeshastigheter och gapstorlekar. Likväl följer tryckfallet samma trend som för vatten, där det ökar med högre massflöden och minskande hydraulisk diameter. Emulsionerna visar också ett större intervall för tryckfallet när man jämför med vatten under samma experimentella förhållanden.

För att sammanfatta de viktiga aspekterna av värmeöverföring i emulsioner under flödande kokning: Koncentrationen av dispergerad fas, gapstorleken och massflödet har alla en betydande inverkan på både kokkurvorna och värmeöverföringskoefficienterna. Trots att emulsioner inte alltid överträffar vatten i alla sammanhang, kan de i vissa experimentella inställningar erbjuda bättre prestanda, särskilt vid specifika väggtemperaturer. Värmeöverföringen är ofta förbättrad, men det finns inga betydande ytterligare tryckförluster i de temperaturintervall där emulsionerna presterar bättre än vatten.

Vidare kan det vara användbart att observera att tryckfallet och gapstorlekens inverkan bör beaktas noggrant i praktiska tillämpningar. Det är också viktigt att förstå att den dispergerade fasens kokbeteende kan påverka överföringen av värme på olika sätt beroende på hur dessa komponenter interagerar under kokning.

Hur emulsioner påverkar värmeöverföring vid kokning: en närmare analys av experimentella data och parametrar

Flödeskokning är en viktig process inom termodynamik och värmeöverföring, särskilt när det gäller användningen av emulsioner, som kan förbättra effektiviteten i värmeöverföringssystem. En emulsion består av två eller flera ämnen som inte blandar sig normalt, som exempelvis vätskor med olika fysikaliska egenskaper. I denna studie fokuserar vi på effekterna av emulsioner av pentan i vatten, FC-72 i vatten, och andra oljebaserade emulsioner på värmeöverföringsegenskaper vid kokning.

Experimentella data visar att emulsioner har en signifikant inverkan på värmeöverföringskoefficienten vid kokning, särskilt när det gäller både vätskor som pentan och FC-72, samt deras förmåga att minska kritiska värmeflöden vid olika temperaturer och tryckförhållanden. Den värmeöverföringskoefficient som mäts i dessa system skiljer sig markant från vatten, och den förbättras vid vissa förhållanden, men kan också minska vid andra.

Till exempel, för emulsioner med en pentan-vatten blandning har det visats att en ökning av volymfraktionen (ε) i emulsionen leder till en minskning av överhettningen och en sänkning av den kritiska värmeflödesgränsen, medan för FC-72 i vatten-emulsioner sker en ökning av värmeöverföringskoefficienten vid vissa förhållanden, men inte i samma omfattning som för pentan. Det innebär att olika emulsioner erbjuder olika nivåer av förbättring eller försämring i värmeöverföringsegenskaper beroende på deras sammansättning och de specifika testförhållandena.

I samband med dessa observationer har forskare utvecklat dimensionlösa grupper som är användbara för att korrelera experimentella data med olika systemparametrar, såsom hydraulisk diameter (Dh), kinematisk viskositet (ν), och densitet (ρ). Dessa grupper har visat sig kunna förutsäga värmeöverföringskoefficienten under olika förhållanden, även om deras precision kan variera beroende på emulsionens sammansättning och experimentella inställningar.

För att förutsäga värmeöverföringskoefficienten mer exakt vid kokning av emulsioner kan en korrelationsformel användas. En sådan formel relaterar emulsionens värmeöverföringskoefficient till den för vatten under samma förhållanden och har visat sig vara ganska exakt för vissa experimentella data. Trots att denna korrelation är användbar, finns det utrymme för förbättring, och förfina beräkningar kan krävas för att ta hänsyn till alla de variabler som påverkar värmeöverföringen.

Det är viktigt att notera att emulsionernas effekt på värmeöverföring inte bara beror på deras sammansättning, utan även på de geometriska egenskaperna hos ytorna som används vid experimenten. Såväl släta som porösa ytor kan påverka värmeöverföringen på olika sätt. Vid användning av porösa ytor i testsystem visade experimenten att emulsioner tenderar att behålla en bättre värmeöverföringskoefficient vid vissa massflödeshastigheter och temperaturer.

För att kunna tillämpa denna kunskap i industriella tillämpningar, såsom vid kylning av högtemperaturbearbetning eller elektronik, krävs en noggrann förståelse för hur olika typer av emulsioner och deras parametrar samverkar med kokprocessen. Det är också viktigt att ta hänsyn till de termofysiska egenskaperna hos de vätskor som ingår i emulsionerna, samt att överväga den påverkan som kan uppstå vid användning av specifika material, som FC-72 eller pentan.

För att kunna förutsäga och optimera värmeöverföring i system som använder emulsioner måste ingenjörerna ta hänsyn till en rad olika faktorer. Denna typ av forskning hjälper till att skapa mer effektiva och ekonomiska kylsystem genom att utnyttja emulsionernas unika egenskaper.