Çekirdekli havuz kaynamasında ısı geçişine katı taneciklerin etkisi
Effect of solid particles on heat transfer in nucleate pool boiling
Yazar: HASAN KÜÇÜK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İ. YALÇIN URALCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2002
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Kaynama = Boiling ; Çekirdekli kaynama = Nucleate boiling

Özet:
ÇEKİRDEKLİ HAVUZ KAYNAMASINDA ISI GEÇİŞİNE KATI TANECİKLERİN ETKİSİ ÖZET Isı geçişinin iyileştirilmesinde (enhancement, augmentation, intensification), en önemli ilerlemelerin kaydedildiği uygulamalardan biri de, çekirdekli kaynamayı iyileştiren özel yüzey geometrileridir. Çekirdeklerime odaklarını yapay olarak artırarak ve buharı tutabilen kararlı yüzey oyukları üreterek ısı geçişini önemli ölçüde iyileştirecek yöntemler, 1930 'dan bu yana çok sayıda bilimsel ve endüstriyel araştırmaya konu olmuştur. Kaynama havuzu içerisinde, kaynama yüzeyi üzerine çökelerek gözenekli bir tabaka oluşturan ya da hareketleri engellenmediği için, buhar kabarcıklarının çekirdeklenmesi ve ayrılmasıyla yüzey üzerinde dönüp dolaşan katı taneciklerin etkisi, tüm yönleri ile incelenip açıklanmadığı için merak edilen konulardan biridir. Bu tanecikler endüstriyel işlemlerin bir sonucu olarak havuzda bulunabilirler. Güç ve soğutma çevrimlerinin buharlaştırıcılarında görülen üretim artıkları, çözünmüş kimyasalların ve korozyon ürünlerinin çökeltileri, bu tür katı taneciklere örnek verilebilir. Katı-sıvı karışımlarının kaynatılması da kimya ve gıda endüstrilerinde yaygın bir işlemdir. Diğer bir örnek ise sıvı ile soğutulan nükleer reaktörlerin kaza senaryolarıdır. Bu olaylarda tanecikler, boyutlarına, yoğunluklarına ve ısıl özeliklerine bağlı olarak, ya ısı geçişim iyileştirip belirli bir ısı akısında etkin sıcaklık farkının azalmasına neden olurlar, ya da havuzun ısı geçişi özelliklerini kötüleştirirler. Kaynama yüzeyi üzerinde gözenekli bir tabaka oluşturan durağan taneciklerin etkisini bir çok araştırmacı incelemiştir. Bu çalışmaların çoğunda, tanecikler üzerlerine yerleştirilen delikli bir levha ile bastırılarak, yüzeye bitişik hareketsiz gözenekli bir tabaka oluşturulmuştur. Yatay ısı geçiş yüzeyi üzerinde hareketli taneciklerin etkisi de son zamanlarda bazı araştırmalara konu olmaktadır. Bu çalışmalarda kaynama eğrisinin birbirinden ayrı ve dar bölgeleri incelenmiştir. Bunun yanı sıra araştırmalar, çap, yoğunluk ve ısı iletim katsayısı gibi tanecik parametreleri bakımından da oldukça farklıdır. Bu çalışmada, hareketleri sınırlandırılmayan küresel taneciklerin, yatay düz bir bakır yüzey üzerinde, suyun atmosferik basınçtaki havuz kaynamasına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. 1, 3, 5 mm çaplarındaki küresel cam taneciklerin kullanıldığı deneyler, su için tipik çekirdekli kaynama bölgesi olan 10-250 kW/m2 ısı akısı aralığında yapılmıştır. Tanecikler kullanılmadan yapılan ilk deneylerde, yüzeyin havuz kaynama eğrisi elde edilmiştir. Daha sonra yüzey üzerine bir tabaka küresel cam tanecik konularak, aynı ısı akısı aralığında deneyler tekrarlanmıştır. Deney sonuçları, taneciklerin, incelenen ısı akısı aralığında etkin sıcaklık farkını azalttıklarını, yani ısı geçişi mekanizmasını iyileştirdiklerini göstermektedir. Deneylerde en fazla 6 ila 7 kat bir iyileşme elde edilmiştir. İyileştirme etkisi tanecik XTVçapı ile hızla artmakla birlikte, tanecik çapı 3 mm'yi geçince, çapın artırılmasının ısı geçişinin iyileşmesine katkısı azalmaktadır. Düz yüzeyin havuz kaynaması eğrisi için yan-ampirik bir matematik model geliştirilerek, sonuçlan deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Isı geçişine katkısı bulunan fiziksel mekanizmalar yorumlanarak modele dahil edilmişlerdir. Isı geçiş yüzeyinin kaynamayla ilgili özeliklerini temsil eden ampirik sabitler ise deney verileri ile bulunmuştur. Model sonuçlan ile deney verileri arasındaki uyum oldukça iyidir. XV

Abstract:
EFFECT OF SOLID PARTICLES ON HEAT TRANSFER IN NUCLEATE POOL BOILING SUMMARY Special surface geometries that promote high-performance nucleate boiling constitute one of the most significant advances in enhanced heat transfer technology. Techniques providing considerable increase in heat transfer by means of artificially increasing nucleation sites and manufacturing surface cavities to form stable vapor traps have been the subject of a large variety of scientific and industrial research since 1930's. One of the topics of interest, which, to the knowledge of the author, is not thoroughly studied and explained, is the influence of solid particles introduced into the pool which either settle on the boiling surface to form a porous layer or are unconfined and put into motion around the surface by vapor formation and departure. These particles may exist in the pool as a consequence of the industrial process. For example, in evaporators of power or refrigeration systems, residue from manufacturing processes, precipitation of dissolved contaminants and corrosion products are possible sources of solid particles. In chemical and food industries, boiling solid-liquid mixtures are also common. Another instance is the accident scenarios for liquid-cooled nuclear reactors. In these cases, particles may either improve heat transfer performance causing a decrease in surface superheat for a certain heat flux, or impair the heat transfer characteristics of the pool, depending on the size, density and thermal properties of the particles. The effect of stationary particles forming a porous bed on a pool boiling surface has been studied by a great deal of researchers. In most of these studies, the bed is confined by means of a screen plate which is pressed on the bed and a static porous medium adjoining the surface is formed. The effect of a fluidized bed of unconfined particles on a horizontal boiling surface has also been the subject of some recent studies. In these studies, separate and narrow ranges of the boiling curve are covered. Studies also differ in terms of the particle parameters, i.e., the diameter, density and thermal conductivity. In the present study, an experimental analysis of the effect of unconfined spherical particles on pool boiling of atmospheric water above a horizontal smooth copper surface is performed. Tests were repeated with glass beads of 1, 3 and 5 mm diameter. The heat flux range employed was 10 to 250 kW/m2 which is typical for nucleate boiling of water. Experiments were carried out first for surface without particles and boiling curve for ordinary pool boiling was obtained. Then, the surface was covered with a single layer of unconfined spherical glass particles and experiments were carried out for similar heat fluxes. Results show that particles cause a decrease in wall superheat for the considered heat flux range, therefore enhancing the heat transfer mechanism. The maximum enhancement ratio obtained in the experiments is 6 to 7. The enhancement effect first increases strongly with XVIincreasing particle diameter. However, the contribution of the increase in diameter to heat transfer enhancement decreases, when the particle diameter exceeds 3 mm. A semi-empirical mathematical model is developed for ordinary nucleate pool boiling and its results are compared with the experimental data. Interpretations of physical mechanisms contributing to the total heat transfer are included in the model and empirical constants representing the boiling related characteristics of the heat transfer surface are derived from the experimental data. Agreement between model results and experimental data are quite satisfactory. XVII