Identifying the dominant heat transfer mechanism during two-phase flows

Den enestående etterspørselen etter klimaanlegg og kjøling over hele verden krever å forbedre kunnskapen om hvordan varme overføres. Selv om varmeoverføring under faseendring har blitt studert intensivt siden 40-tallet, er det ikke oppnådd enighet om hvilken som er den dominerende fysiske mekanismen som overfører varme fra overflaten til væsken. Utformingen og optimaliseringen av slike systemer avhenger av nøyaktige modeller. Imidlertid har den ufullstendige forståelsen av de styrende fysiske mekanismene under faseendringsvarmeoverføringsprosesser, nemlig fordampning og kondensering, begrenset utviklingen av tilfredsstillende teoretisk baserte modeller som gir den basis til mange empirisk baserte modeller med begrenset anvendelse. Målet med dette prosjektet var å undersøke hvordan varmen overføres nær veggen i et tofaset strømningssystem. I dette arbeidet er det postulert at varmeoverføringsprosessen er ekvivalent i strømningskondensering, konvektiv strømningkoking og ikke-kokende tokomponentsystemer, og dermed kan beskrives med samme modell. For å undersøke dette problemet, implementerte prosjektet en mikropartikkelbildehastighetsmåling og tofarget laserindusert fluorescenstermografi som var i stand til å løse strømmen og temperatursvingningene nær veggen. Denne eksperimentelle teknikken kan hjelpe oss å forstå hvordan strømningen og de tofasede strømningsstrukturene kan påvirke temperaturgradientene nær veggen. Målet med prosjektet var å identifisere om temperaturgradientene nær veggen for strømningskondensering, konvektiv strømningkoking og ikke-kokende tokomponentsystemer viser en likhet. Utfordringer i eksperimentene har begrenset den fullstendige evalueringen av denne hypotesen. Imidlertid har analyse av tilgjengelige eksperimentelle studier i litteraturen samlet under prosjektet antydet gyldigheten av hypotesen. Dette resultatet antyder på at strømningskondensering, konvektiv strømningkoking og ikke-kokende tokomponentsystemer kan beskrives med en felles modell som kan bidra til å redusere usikkerheten i design og optimalisering av relaterte systemer. I tillegg studerte prosjektet forringelsen av varmeoverføringen under strømningskoking. Det ble observert at når varmefluksen til systemet økes, når varmeoverføringen en grense eller forringelse. Ved å studere prosessen eksperimentelt, ble det funnet at forringelsen kan tilskrives akkumulering av damp ved veggen, og at for å forhindre dette er det nødvendig å øke strømningshastigheten. Dermed gir prosjektet nye bevis på strømmens rolle i varmeoverføringsforringelsen under strømningskoking.

The project has provided three main results. First, it was shown the heat transfer deterioration observed during self-sustained flow oscillations can be attributed to the oscillations in the pressure. In the absence of pressure oscillations, a high amplitude flow velocity oscillation does not deteriorate the heat transfer. Hence, to avoid heat transfer deterioration during flow oscillations, the pressure oscillations in the system need to be minimised. Second, it was shown that the mass flux has a major role in the deterioration of the heat transfer coefficient during nucleate flow boiling in a horizontal heated pipe. In this way, in the quest of thermal management system for high heat fluxes, the relationship between mass flux, heat flux, and pressure during nucleate boiling needs to be reconsidered. Third, it was shown that the heat transfer coefficient of binary and single component fluids during flow condensation inside plain pipes is similar. This similarity is attributed to an equivalent heat transfer mechanisms between them and the single-phase flow case. The results of this project contribute to reduce the uncertainties in the design of heat transfer equipment which will result in lower costs and energy consumption.

As the world is facing an unprecedented demand for air conditioning and refrigeration knowledge about how heat is transferred gains paramount relevance. World power consumption for air conditioning alone will surge 33 times by 2100. Global data centres power consumption will double again over the next 15 years. Global food demand will grow 50% by 2050 intensifying the need of refrigerated food transportation. At this pace, by mid-century more energy for cooling than for heating will be used. Cold is still produced by vapour-compression refrigeration where a refrigerant fluid undergoes a condensation and vaporization cycle occurring in heat exchangers consisting of tubes or channels. More efficient technologies need to be developed for satisfying the bursting need of cooling. Heat transfer during phase change has been studied intensively since the 40s without achieving a common agreement about the dominant physical mechanism transferring heat from the surface to the fluid. This knowledge gap has resulted in empirical-based models. A novel study has provided indication that heat transfer might be controlled at a thin layer close to the surface, called conductive sublayer whose significance has been overlooked by all other research to date. The objective in this project is to establish conclusively whether the conductive sublayer is controlling the heat transfer, providing new knowledge in the front of the state of the art while elucidating this long-lasting research question. This will be done by temperature measurements close to the wall and numerical studies. The project involves a high risk but its success will pave the way for developing theoretically-based models representing a tipping point in relation to the actual dominant empirical-based modelling approach. The new knowledge and theory will contribute to guide the development of new heating/cooling concepts that is an important societal issue due to its impact in energy consumption and environmental impact.