Nukleat som kokar

Kärnkokning är en typ av kokning som sker när yttemperaturen är varmare än den mättade vätsketemperaturen med en viss mängd men där värmeflödet är under det kritiska värmeflödet . För vatten, som visas i grafen nedan, sker kärnkokning när yttemperaturen är högre än mättnadstemperaturen ( TS ) med mellan 10 och 30 °C (18 och 54 °F) _. Det kritiska värmeflödet är toppen på kurvan mellan kärnkokning och övergångskokning. Värmeöverföringen från yta till vätska är större än vid filmkokning .

Kärnkokning är vanlig i vattenkokare och är ansvarig för det brus som uppstår innan kokning inträffar. Det förekommer även i vattenpannor där vattnet snabbt värms upp.

Mekanism

Beteende av vatten på en värmeplatta. Grafen visar värmeöverföring (flöde) v. temperatur (i grader Celsius) över T _S , vattnets mättnadstemperatur , 100 °C (212 °F).

Två olika regimer kan särskiljas i kärnans kokområde. När temperaturskillnaden är mellan ungefär 4 till 10 °C (7,2 till 18,0 °F) över Ts, _bildas isolerade bubblor vid kärnbildningsställen och separeras från ytan. Denna separation inducerar avsevärd vätskeblandning nära ytan, vilket väsentligt ökar den konvektiva värmeöverföringskoefficienten och värmeflödet. I denna regim sker det mesta av värmeöverföringen genom direkt överföring från ytan till vätskan i rörelse vid ytan och inte genom ångbubblorna som stiger upp från ytan.

Mellan 10 och 30 °C (18 och 54 °F) över T _S , kan en andra flödesregim observeras. När fler kärnbildningsställen blir aktiva orsakar ökad bubbelbildning bubbelinterferens och koalescens. I detta område försvinner ångan som jetstrålar eller kolumner som sedan smälter samman till ångklumpar.

Interferens mellan de tätt befolkade bubblorna hämmar rörelsen av vätska nära ytan. Detta observeras på grafen som en förändring i riktningen för kurvans gradient eller en böjning i kokkurvan. Efter denna punkt börjar värmeöverföringskoefficienten att minska när yttemperaturen höjs ytterligare även om produkten av värmeöverföringskoefficienten och temperaturskillnaden (värmeflödet) fortfarande ökar.

När den relativa ökningen av temperaturskillnaden balanseras av den relativa minskningen av värmeöverföringskoefficienten, uppnås ett maximalt värmeflöde som observeras av toppen i grafen. Detta är det kritiska värmeflödet. Vid denna punkt i maximum bildas avsevärd ånga, vilket gör det svårt för vätskan att kontinuerligt väta ytan för att ta emot värme från ytan. Detta gör att värmeflödet minskar efter denna punkt. observeras filmkokning, allmänt känd som Leidenfrost-effekten .

Kokkurva för vatten vid 1atm

Processen att bilda ångbubblor i vätska i mikrohåligheter intill väggen om väggtemperaturen vid värmeöverföringsytan stiger över mättnadstemperaturen medan huvuddelen av vätskan ( värmeväxlaren ) underkyles . Bubblorna växer tills de når någon kritisk storlek, vid vilken punkt de separeras från väggen och förs in i huvudvätskeströmmen . Där kollapsar bubblorna eftersom temperaturen på bulkvätskan inte är lika hög som vid värmeöverföringsytan, där bubblorna skapades. Denna kollaps är också ansvarig för ljudet en vattenkokare producerar under uppvärmning men innan den temperatur vid vilken bulkkokning uppnås.

Värmeöverföring och massöverföring under kärnkokning har en betydande effekt på värmeöverföringshastigheten. Denna värmeöverföringsprocess hjälper snabbt och effektivt att transportera bort den energi som skapas vid värmeöverföringsytan och är därför ibland önskvärd - till exempel i kärnkraftverk, där vätska används som kylmedel .

Effekterna av nukleatkokning äger rum på två platser:

vätske-vägg-gränssnittet
gränssnittet mellan bubblor och vätska

Nukleatkokningsprocessen har en komplex natur. Ett begränsat antal experimentella studier gav värdefulla insikter om kokningsfenomenen, men dessa studier gav ofta motsägelsefulla data på grund av intern omräkning (tillstånd av kaos i vätskan gäller inte klassiska termodynamiska beräkningsmetoder, därför ger felaktiga returvärden) och har inte tillhandahöll avgörande resultat som ännu inte har utvecklat modeller och samband. Fenomenet att koka kärnor kräver fortfarande mer förståelse.

Kokande värmeöverföringskorrelationer

Nukleatkokningsregimen är viktig för ingenjörer på grund av de höga värmeflöden som är möjliga med måttliga temperaturskillnader. Data kan korreleras med formekvationen,

$N{{u}_{b}}={{C}_{fc}}\left(R{{e}_{b }},P{{r}_{L}}\right)$

Nusselt-numret definieras som,

$displaystyle N{{u}_{b}}={\frac {\left({\frac {q}{A }}\right){{D}_{b}}}{\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right){{k}_{L}} }}}$

där q/A är det totala värmeflödet, $D_{b}$ är den maximala bubbeldiametern när den lämnar ytan, ${{T}_{s}} -{{T}_{sat}}$ är övertemperaturen, $k_{L}$ är vätskans värmeledningsförmåga och $Pr_{L}$ är Prandtl-talet för vätskan. Bubblan Reynolds nummer , $Re_{b}$ definieras som,

$R{{e}_{b}}={\frac {{{D}_{b}}{{G}_{b}}}{{\ mu }_{L}}}$

Där $G_{b}$ är den genomsnittliga masshastigheten för ångan som lämnar ytan och ${{\mu }_{L}}$ är vätskans viskositet .

Rohsenow har utvecklat den första och mest använda korrelationen för kärnkokning,

${\frac {q}{A}}={{\mu }_{L}}{{h}_{fg}}{{\left[{\frac {g\left({{\rho }_{ L}}-{{\rho }_{v}}\right)}{\sigma }}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{2 }\;}}{{\left[{\frac {{{c}_{pL}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}{ {{C}_{sf}}{{h}_{fg}}Pr_{L}^{n}}}\right]}^{3}\;}$

Där $c_{pL}$ är vätskans specifika värme. $C_{sf}$ är ytvätskekombinationen och varierar för olika kombinationer av vätska och yta. $\sigma$ är ytspänningen för vätske-ånga-gränssnittet. Variabeln n beror på ytvätskekombinationen och har typiskt ett värde på 1,0 eller 1,7. Till exempel har vatten och nickel ett $C_{sf}$ på 0,006 och n på 1,0.

Värden på $C_{sf}$ för olika ytvätskekombinationer
Ytvätskekombinationer	$C_{sf}$
Vatten/koppar	0,013
Vatten/nickel	0,006
Vatten/platina	0,013
Vatten/mässing	0,006
Vatten/rostfritt stål, mekaniskt polerat	0,0132
Vatten/rostfritt stål, kemiskt etsat	0,0133
Vatten/rostfritt stål, slipat och polerat	0,0080
$CCl_{4}$ /koppar	0,013
Bensen/krom	0,0101
n-pentan/krom	0,015
Etylalkohol/krom	0,0027
Isopropylalkohol/koppar	0,0025
n-butylalkohol/koppar	0,003

Avvikelse från nukleatkokning

Om värmeflödet i ett kokande system är högre än det kritiska värmeflödet (CHF) för systemet, kan bulkvätskan koka, eller i vissa fall kan regioner av bulkvätskan koka där vätskan färdas i små kanaler. Sålunda bildas stora bubblor, ibland blockerar vätskans passage. Detta resulterar i en avvikelse från nukleatkokning ( DNB ) där ångbubblor inte längre bryts loss från kanalens fasta yta, bubblor dominerar kanalen eller ytan och värmeflödet minskar dramatiskt. Ånga isolerar i huvudsak bulkvätskan från den heta ytan.

Under DNB måste därför yttemperaturen öka väsentligt över bulkvätsketemperaturen för att upprätthålla ett högt värmeflöde. Att undvika CHF är ett tekniskt problem i värmeöverföringstillämpningar, såsom kärnreaktorer , där bränsleplattor inte får överhettas. DNB kan undvikas i praktiken genom att öka vätskans tryck , öka dess flödeshastighet eller genom att använda en bulkvätska med lägre temperatur som har en högre CHF. Om bulkvätsketemperaturen är för låg eller trycket i vätskan är för högt är kärnkokning dock inte möjlig.

DNB är också känd som övergångskokning , instabil filmkokning och partiell filmkokning . För vattenkokning som visas i grafen, sker övergångskokning när temperaturskillnaden mellan ytan och det kokande vattnet är cirka 30 till 130 °C (54 till 234 °F) över T _S . Detta motsvarar den höga toppen och den låga toppen på kokkurvan. Den lägsta punkten mellan övergångskokning och filmkokning är Leidenfrostpunkten .

Under övergångskokning av vatten är bubbelbildningen så snabb att en ångfilm eller filt börjar bildas vid ytan. Men när som helst på ytan kan förhållandena pendla mellan film- och kärnkokning, men andelen av den totala ytan som täcks av filmen ökar med ökande temperaturskillnad. Eftersom värmeledningsförmåga är mycket mindre än vätskans, minskar den konvektiva värmeöverföringskoefficienten och värmeflödet med ökande temperaturskillnad.

Se även