Βρασμός με ροή υδατικών διαλυμάτων τασενεργού
Creators: name: Ξανθοπούλου, Παναγιώτα Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Βρασμός
Τασενεργές ενώσεις
Δυναμική φυσαλίδων
Boiling
Surfactants
Bubble dynamic

description: Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας διερευνάται η επίδραση της προσθήκης τασενεργής ανιονικής ένωσης SDS(sodium dodecyl sulphate) σε απιονισμένο νερό κατά τη διάρκεια πειραμάτων υπόψυκτου βρασμού (βαθμός υπόψυξης = 75°C) σε μακρο-κανάλι βρασμού ορθογωνικής διατομής με ροή. Το κανάλι έχει πλάτος 40 mm, μήκος 120 mm, και ύψος 3 mm. Η προσθήκη τασενεργών ενώσεων σε μικρές συγκεντρώσεις σε απιονισμένο νερό ελαττώνει την επιφανειακή τάση του διαλύματος σε σχέση με το καθαρό απιονισμένο νερό, χωρίς να μεταβάλλονται άλλες φυσικές ιδιότητες όπως το ιξώδες. Η επίδραση της επιφανειακής τάσης κατά τη διάρκεια του βρασμού μπορεί να επηρεάσει την ροή και την μεταφορά θερμότητας σε μικρά κανάλια. Τέτοια κανάλια χρησιμοποιούνται σε εναλλάκτες θερμότητας στις βιομηχανίες ηλεκτρονικών και επεξεργασίας τροφίμων. Οι παράμετροι που μελετούνται είναι η παροχή μάζας των διαλυμάτων, η θερμορροή, και η συγκέντρωση του τασενεργού. Οι μετρήσεις της επιφανειακής τάσης των διαλυμάτων γίνονται πριν και μετά την διεξαγωγή των περαμάτων βρασμού, με την μέθοδο Willhelmy plate για την μέτρηση της επιφανειακής τάσης ισορροπίας. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων βρασμού σε ροή καταγράφονται θερμοκρασίες βρασμού των διαλυμάτων και θερμοκρασία της επιφάνειας βρασμού για την κατασκευή καμπυλών βρασμού (q προς ΔTsat) με σκοπό να μελετηθεί η επίδρασης των τασενεργών ενώσεων στην μεταφορά θερμότητας. Για την μελέτη της συμπεριφοράς των φυσαλίδων που δημιουργούνται κατά τον βρασμό γίνεται καταγραφή εικόνων και βίντεο των πειραμάτων με τη χρήση ταχυκάμερας (Photron FastCam Multi) και ανάλυση των εικόνων των φυσαλίδων με λογισμικό μέτρησης της διαμέτρου των φυσαλίδων (Bubbles Edit). Η προσθήκη του τασενεργού επιδρά στην μεταφορά θερμότητας βρασμού μέσω της μείωσης της επιφανειακής τάσης του διαλύματος και της προσρόφησης στην διεπιφάνεια υγρού – στερεού και στην διεπιφάνεις υγρού – ατμού. Η μείωση της επιφανειακής τάσης προωθεί την ενεργοποίηση περισσότερων σημείων πυρηνογένεσης και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες της θερμαινόμενης επιφάνειας. Η προσρόφηση του τασενεργού στην διεπιφάνεια υγρού – στερεού, καθιστά την επιφάνεια βρασμού υδρόφοβη συνεισφέροντας στην αύξηση των σημείων πυρηνογέννεσης, ενώ η προσρόφηση του τασενεργού στην διεπιφάνεια υγρού – ατμού σταθεροποιεί την επιφάνεια των φυσαλίδων μειώνοντας την τάση τους για συνένωση. Ως αποτέλσμα οι παραγόμενες φυσαλίδες κατά τον βρασμό διαλυμάτων τασενεργών εμφανίζονται περισσότερες σε αριθμό σε σχέση με τις φυσαλίδες κατά τον βρασμό του καθαρού νερού, αυξάνοντας την συνολική διεπιφάνεια εναλλαγής θερμότητας με την αύξηση της συγκέντρωσης του τασενεργου. Η ενίσχυση στη μεταφορά θερμότητας αποδεικνύεται με την αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με την προσθήκη και αύξηση της συγκέντρωσης του τασενεργού. Η αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας σταματά στην κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλίου του τασενεργού SDS (CMC, 2500 ppm), όπου επιτυγχάνεται η ελάχιστη τιμή επιφανειακής τάσης του διαλύματος
description: The present thesis studies the effect of anionic surfactant additive SDS (sodium dodecyl sulphate) in deionized water during subcooled flow boiling experiments (ΔTsubcooled =75°C) in orthogonal macro – channel w40 x h3mm x l120 mm. The addition of surfactants to deionized water reduces the surface tension of the aqueous surfactant solutions, without change in other physiochemical properties such as viscosity. The surface tension force is important and might affect flow patterns and heat transfer in such channels. Heat exchangers with small channels are prevalent in industries such as electronic, transport, and chemical processing. Parameters under investigation include the liquid mass flux, the heat flux, and the surfactant concentration. The surface tension measurements were conducted using the Wilhelmy plate method. During all flow boiling experiments, the liquid temperature as also as wall temperature of the heated surface are recorded, in order to extract boiling curves (q” to ΔΤwall) for the surfactant influence on heat transfer illustration. To investigate bubble behavior during these experiments, videos and pictures are recorded using a high-speed camera (Photron FastCam Multi), and bubble images are analyzed using a bubble diameter measurement software (Bubbles Edit). Surfactant additives influence the boiling heat transfer through the surface tension reduction and the adsorption on the liquid-solid, liquid-vapor interfaces. Surface tension decrease inhibits nucleation point activation at lower wall temperatures. Surfactant adsorption on the liquid-solid interface increases the surface hydrophobicity, adding to the contribution of the nuclei increase, while adsorption on the liquid-vapor interface stabilizes the bubble surface, decreasing their coalescence tendency. As a result, more and smaller bubbles are generated during boiling of surfactant solutions in comparison with bubbles generated during deionized water boiling, increasing the total heat transfer surface, as the surfactant concentration increases. Heat transfer enhancement can be proved with the increase in heat transfer coefficient with the addition and increase of surfactant concentration. The increase of the heat transfer coefficient stops when the solution reaches the critical micelle concentration of SDS surfactant (CMC, 2500 ppm), where the minimum surface tension value is achieved