Μελέτη βρασμού με ροή μέσα σε δομημένα μακρο-κανάλια

Abstract

The present Ph.D. dissertation is an experimental study of subcooled flow boiling of water in a rectangular cross-section channel (boiling channel). The scope of the work is to investigate the effect of several working parameters and system’s geometric characteristics on the two-phase heat transfer mechanism in order to improve the efficiency of flow boiling and achieve high heat removal rates. Additional aims were to investigate in detail the physical phenomena that govern flow boiling and to collect useful data when dealing with a fire incident in a manned spacecraft. It was observed that increase in mass flux reinforced the forced convective heat transfer mechanism and led to an increase in the heat transfer coefficient in the forced convection and the transition boiling regions. However, in the nucleate boiling region, where mass flux does not affect heat transfer mechanism, it was found that flow boiling heat transfer efficiency is improved by changing system operating parameters. In particular, when comparing thermal results between two channels of different height, 3 and 10 millimeters, it was found that the channel with the 3 millimeter height was more efficient for the same liquid velocity, due to the lower flow rate which leads to higher water temperatures, hence shifts the moving force of nucleation to lower wall temperatures and heat fluxes. It has also been found that increasing channel’s inclination angle from the horizontal one, improved heat transfer coefficient because of the simultaneous increase in the active nucleation sites and the ability of bubbles to detach. However, greater effect on the heat transfer coefficient was discovered to have the process of engraving of the heated surface with grooves of small width (at the order of 420 micrometers), which increase the heat exchange area, but also change bubbles’ dynamic behavior. In addition, it was investigated whether an increase in gravitational acceleration enhances heat transfer and it was found that at the horizontal inclination there is a significant effect on the heat transfer coefficient due to the increased buoyancy, but at the vertical inclination hypergravity acted against bubbles detachment and decreased the heat transfer coefficient.

Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκαν πειράματα υπόψυκτου βρασμού με ροή νερού στο εσωτερικό ενός αγωγού ορθογωνικής διατομής (κανάλι βρασμού). Σκοπός της διατριβής ήταν η διερεύνηση της επίδρασης διάφορων λειτουργικών παραμέτρων καθώς και της γεωμετρίας του συστήματος στο μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας με στόχο τη βελτιστοποίηση του βρασμού με ροή για την επίτευξη μεγάλων ρυθμών μεταφοράς θερμότητας. Επιπλέον στόχοι της διατριβής ήταν η λεπτομερής διερεύνηση των φυσικών φαινομένων που διέπουν το βρασμό με ροή και η συλλογή δεδομένων χρήσιμων για την αντιμετώπιση περιστατικού πυρκαγιάς εντός επανδρωμένου διαστημικού οχήματος. Από τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής διαπιστώθηκε ότι αύξηση της παροχής μάζας ενίσχυσε το μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή και βελτίωσε το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στη μεταβατική περιοχή βρασμού. Στην περιοχή βρασμού με πυρηνογένεση όμως, όπου η παροχή μάζας δεν επηρεάζει το μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας, βρέθηκε ότι η απόδοση του βρασμού με ροή βελτιώνεται με αλλαγή διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας του συστήματος. Συγκεκριμένα, από τη σύγκριση των θερμικών αποτελεσμάτων για δύο κανάλια με διαφορετικό ύψος, 3 και 10 χιλιοστά, βρέθηκε ότι το κανάλι με ύψος 3 χιλιοστά είναι πιο αποδοτικό για ίδια ταχύτητα ροής υγρού εξαιτίας της χαμηλότερης παροχής, που οδηγεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες νερού, οπότε και η κινούσα δύναμη για πυρηνογένεση μετατοπίζεται σε χαμηλότερες τιμές θερμοκρασίας επιφάνειας βρασμού και θερμορροής. Επίσης, βρέθηκε ότι η αύξηση της κλίσης του καναλιού πάνω από την οριζόντια βελτίωσε το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας εξαιτίας της ταυτόχρονης αύξησης των ενεργών σημείων πυρηνογένεσης και της ικανότητα των φυσαλίδων να αποκολλώνται. Μεγαλύτερη επίδραση στο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας όμως βρέθηκε ότι έχει η εγχάραξη γραμμών μικρού πλάτους στην επιφάνεια βρασμού (της τάξης των 420 μικρομέτρων), έτσι αυξάνεται η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, ταυτόχρονα όμως αλλάζει η δυναμική συμπεριφορά των φυσαλίδων. Ακόμη, ελέγχθηκε η αλλαγή στην απόδοση του συστήματος βρασμού με ροή από την αύξηση της βαρύτητας και βρέθηκε ότι όταν το κανάλι είναι στην οριζόντια κλίση, υπάρχει σημαντική επίδραση στο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας εξαιτίας της αύξησης της άνωσης των φυσαλίδων, όταν όμως η κλίση είναι κατακόρυφη, η υπερβαρύτητα δρα ενάντια στην αποκόλληση και μειώνει το συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.