Konvektivno vrenje je učinkovit mehanizem prenosa toplote, ki se pogosto uporablja v jedrskih elektrarnah in ostalih energetskih sistemih. Kljub številnim raziskavam in dolgi zgodovini uporabe, vsi pojavi povezani v vrenjem še niso v celoti znani. Mehurčki, ki nastajajo med vrenjem toka tekočine, med gibanjem v toku spreminjajo velikost in obliko zaradi različnih mehanizmov, kot so uparanje ob greti steni, kondenzacija v prostem toku in interakcije z drugimi mehurčki. Da bi zajeli vse te vplive, smo se v doktoratu osredotočili na eksperimentalno določanje porazdelitve velikosti mehurčkov.
Za eksperimentalno opazovanje konvektivnega vrenja pri visokih gostotah toplotnega toka smo zasnovali in izdelali testno sekcijo v obročasti geometriji z ozko režo in vodnim gretjem površine notranje cevi. Notranja cev ima premer 12 mm, širina reže je 2 mm, za delovno oz. vrelno tekočino smo uporabili hladilo R245fa (pentafluoropropan). Ker testna sekcija deluje kot toplotni izmenjevalec, načeloma omogoča tudi obratovanje v bližini kritičnega toplotnega toka, brez nevarnosti pregretja in poškodovanja sekcije. Za opazovanje in analizo dvofaznega toka smo uporabili hitro kamero, tako pridobljene slike pa smo obdelali in jih uporabili za analizo vrenja in pridobivanje podatkov o porazdelitvi velikosti mehurčkov. Poleg analize velikosti mehurčkov z ročnim označevanjem smo razvili tudi računalniški algoritem na osnovi nevronske mreže, ki delno avtomatizira in pohitri postopek prepoznavanja in zaznave velikosti mehurčkov.
V disertaciji smo se osredotočili na konvektivno vrenje v horizontalni obročasti geometriji. Raziskali in analizirali smo dva različna režima delovanja testne sekcije, bodisi s konstantnim masnim pretokom grelne vode, bodisi s konstantnim pretokom hladila. Ugotovili smo, da je pri pogojih nizkega toplotnega toka porazdelitev velikosti mehurčkov mogoče opisati z enoparametrično Rayleighjevo porazdelitvijo, pri pogojih visokega toplotnega toka pa se v porazdelitvi pojavi še drugi vrh pri večjih mehurčkih. Ugotovili smo tudi, da sta v načinu obratovanja s konstantnim pretokom grelne vode prisotna dva nasprotujoča si mehanizma. Pri tem načinu obratovanja je mogoče povečati toplotni tok le z večanjem masnega pretoka hladila. Medtem, ko večji toplotni tok poveča količino pare v testni sekciji, večji pretok hladila deluje v nasprotni smeri in zmanjšuje količino pare. Ker sta oba mehanizma prisotna skupaj in hkrati vplivata na količino pare v testni sekciji, ločeno opazovanje mehanizmov ni bilo mogoče. Rezultati kažejo, da količina pare v testni sekciji upada s povečanim masnim pretokom hladila, zato sklepamo da učinek masnega pretoka prevladuje nad učinkom toplotnega toka.
|