Pool Boiling of Water–Glycerin Mixtures

Abstract

The doctoral thesis focuses on heat transfer during nucleate boiling of water–glycerin mixtures. In the theoretical part, heat transfer during pool boiling of pure fluids and multicomponent mixtures is outlined and discussed together with the mechanisms and parameters of boiling. The thermophysical properties and boiling behavior of water–glycerin mixtures are also addressed. The second part presents the results of heat transfer measurements during saturated and subcooled nucleate pool boiling of water–glycerin mixtures on copper, nickel-plated, and titanium surfaces. The experiments were performed for wide investigated ranges of the heat flux and concentration of glycerin in the boiling mixture. Heat transfer coefficients (HTCs) were observed to deteriorate with an increasing amount of glycerin in the boiling mixture. A significant impact of the mixture effects on HTC was confirmed for all the mixtures and heating surfaces investigated. For the studied experimental conditions, it was found that subcooled boiling on the nickel-plated surfaces occurred in the developer regime. A method was suggested and verified, which can be used to calculate the subcooled boiling HTC in this regime. During boiling on the thin titanium foil, the bubble departure diameter was found to be weakly dependent on the heat flux and independent of the mixture composition. On the contrary, the nucleation frequency increased with the heat flux and concentration of glycerin in the boiling mixture. Correlations were developed, which does not require knowledge of the thermophysical properties of the boiling mixtures, for a straightforward estimation of the measured HTCs and nucleation parameters.

Dizertační práce se zabývá přestupem tepla při bublinovém varu binárních směsí voda–glycerin. Teoretická část práce je zaměřena na přestup tepla při objemovém varu čistých kapalin a vícesložkových směsí spolu s mechanismy a nukleačními parametry varu. Jsou zde také diskutovány termofyzikální vlastnosti a chování směsí voda–glycerin při varu. Druhá část prezentuje výsledky experimentálního měření přestupu tepla při nasyceném a podchlazeném bublinovém varu v objemu pro směsi voda–glycerin na měďených, niklovaných a titanových výhřevných površích. Experimenty byly provedeny pro široký rozsah tepelných toků a koncentraci glycerinu ve vroucí směsi. Bylo zjištěno, že s rostoucí koncentrací glycerinu dochází k poklesu součinitele přestupu tepla. Významný vliv tzv. směsných efektu na var byl potvrzen pro všechny zkoumané směsi a výhřevné povrchy. Dále bylo zjištěno, že podchlazený var na poniklovaných površích probíhá za zkoumaných experimentálních podmínek v podchlazeném vyvinutém režimu. Byla navržena a ověřena metoda výpočtu součinitele přestupu tepla v tomto režimu. Při varu na titanové folii bylo zjištěno, že průměry bublin jsou jen slabě závislé na tepelném toku a nezávislé na složení vroucí směsi. Naopak nukleační frekvence se zvyšovaly jak s tepelným tokem, tak s koncentrací glycerínu ve směsi. Byly navrženy snadno použitelné korelace pro stanovení naměřených součinitelů přestupu tepla a pro hodnoty zkoumaných nukleačních parametrů, které nevyžadují znalost termofyzikálních vlastností vroucích směsí.