Μελέτη βρασμού νερού υπό ροή με τη χρήση ΄΄έξυπνων΄΄ επιφανειών μεταφοράς θερμότητας
Creators: name: Μπιλιά, Μυρτώ Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Βρασμός υπό ροή
Μεταφορά θερμότητας
Φυσαλίδες
Flow boiling
Heat transfer
Bubbles

description: Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιούνται πειράματα υπόψυκτου βρασμού νερού υπό ροή στο εσωτερικό ενός αγωγού ορθογωνικής διατομής (κανάλι βρασμού), πλάτους 40 mm, μήκους 120 mm και ύψους 3 mm. Η παρούσα διπλωματική εργασία, αποτελεί τμήμα του ερευνητικού προγράμματος «Smart Boiler» που αφορά στην κατασκευή ενός νέου έξυπνου ατμολέβητα, υψηλής απόδοσης. Στη βιομηχανία, ο βρασμός υπό ροή χρησιμοποιείται κατά κόρον ως μέθοδος ψύξης. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης νέων, ‘έξυπνων’ επιφανειών, στην ενίσχυση του βρασμού υπό ροή και της απαγωγής θερμότητας από το ψυκτικό μέσο. Οι έξυπνες αυτές χάλκινες επιφάνειες, έχουν υποστεί εγχάραξη με βάση έξι (6) διαφορετικά γεωμετρικά μοτίβα, οι ακμές των οποίων δρουν ως εστίες πυρηνογένεσης φυσαλίδων βρασμού. Το νερό εισέρχεται στο κανάλι βρασμού σε θερμοκρασία 20–25oC, σε συνθήκες στρωτής ροής και ειδικές ροές μάζας νερού 200 &amp; 300 kg/m2s. Η θερμότητα μεταφέρεται στο νερό μόνο από την κάτω, χάλκινη πλευρά του καναλιού, μέσω ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων που τοποθετούνται εγκάρσια αυτής. Στις αντιστάσεις εφαρμόζεται θερμορροή 200-1200 kW/m2. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας γίνεται μέτρηση και καταγραφή της θερμοκρασίας του νερού και της επιφάνειας βρασμού, για την μελέτη των καμπύλων βρασμού και τον υπολογισμό των αντίστοιχων συντελεστών μεταφοράς θερμότητας ανά επιφάνεια εγχάραξης και ειδική ροή μάζας. Ταυτόχρονα μελετάται η δυναμική συμπεριφορά των φυσαλίδων βρασμού, μέσω της καταγραφής βίντεο υψηλής ταχύτητας (4000fps) και ευκρίνειας (1280x1024 pixels) με την κάμερα Photron Fastcam Multi. Από την επεξεργασία των εικόνων προκύπτει η κατανομή μεγέθους και η πυκνότητα των φυσαλίδων ανα εγχάρακτη επιφάνεια και ειδική ροή μάζας νερού. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας δείχνουν πως η εγχάραξη των επιφανειων βρασμού ενισχύσει σημαντικά την μεταφορά θερμότητας στο ψυχρό μέσο, καθώς βελτιώνει τις καμπύλες βρασμού και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Βέλτιστη συμπεριφορά παρουσιάζει η εγχάραξη με τo μοτίβο της lego γεωμετρίας, ενώ οι γεωμετρίες zig-zag και obliged files έχουν την χαμηλότερη απόδοση. Η απαγωγή μεγάλων ποσών θερμότητας επιβεβαιώνεται από την δημιουργία σημαντικά μεγαλύτερου πληθυσμού μικρο-φυσαλίδων (μεγέθους 0,05mm περίπου) στις εγχάρακτες επιφάνειες, συγκριτικά με αυτές στη λεία επιφάνεια. Η αύξηση της ειδικής ροής μάζας νερού μειώνει το λεπτό οριακό στρώμα επάνω από την επιφάνεια βρασμού με αποτέλεσμα την περεταίρω ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας και τη δημιουργία μεγαλύτερου πληθυσμού φυσαλίδων βρασμού
description: The present thesis includes subcooled flow boiling experiments in a rectangular cross-section channel (boiling channel) of 40 mm width, 120 mm length and 3 mm height. In industry, flow boiling is widely used as a cooling method. The present work is part of the ‘’Smart Boiler’’ research project that aims to design and construct a new, highly-efficient, boiler appliance, through the application of innovative boiling surfaces that are capable to enhance the heat transfer performance. These smart copper surfaces are engraved based on six (6) different geometric patterns, the edges of which act as bubble nucleation sites. Water enters the boiling channel in laminar flow conditions, at 20-25oC and mass fluxes of 200 &amp; 300 kg/m2s. Heat is transferred to water only from the copper, bottom side of the channel that is heated through special electrical cartridge heaters, placed perpendicularly to it. These heaters provide heat fluxes of 200-1200 kW/m2. Temperature recordings of water and heated surface, allow to study the resulting boiling curves and calculate the respective heat transfer coefficients for each engraved boiling surface and water mass flux. At the same time, high-speed video recordings (4000fps, resolution: 1280x1024 pixels) using a Photron Fastcam Multi camera, illustrate the dynamics of boiling bubbles. The video image processing shows the size distribution and the density of bubbles under the applied experimental conditions. The results of the present study show that the patterned engraving of boiling surfaces enhances significantly heat transfer to the cold medium (water), as it both improves the boiling curves and the heat transfer coefficient. This behavior is also confirmed by the generation of a significantly higher population of micro-bubbles (approximately 0,05 mm in size) on the engraved surfaces, compared to those on the smooth surface. The optimum thermal behavior is obtained using the lego patterned surface, while zig zag and obliged fins patterns are the less efficient. The increase of water mass flux reduces the thermal boundary layer on boiling surfaces, resulting in further heat transfer enhancement and generation of larger bubble populations