Influence of the micro and macro-structure of stainless steel surfaces on boiling heat transfer

In this paper, the focus is on optimizing the heat transfer of pure substances on smooth, finned tubes from the perspective of micro- and macrostructure under natural convection conditions. In the Nukiyama curve, the nucleate boiling zone turns out to be very effective in terms of heat transfer, since high values of the heat transfer coefficient can be achieved for small temperature differences. For this reason, evaporation processes are widely used in energy and process technology, such as in power plants and refrigeration processes. In the large number of studies on heat transfer in nucleate boiling, the prediction of heat transfer coefficient is still based on empirical or semi-empirical methods, but despite the growing number of theories, there is still no calculation method that is theoretically consistent with experimental data obtained under different conditions of reduced pressure, heat flow, material and roughness. Therefore, the motivation for this work lies in improving predictive methods for calculating the heat transfer coefficient in the nucleate boiling zone, as they are important tools for optimal evaporator design. In this investigation, a finned stainless-steel tube and two finely sandblasted stainless-steel and copper smooth tubes were used, and n-pentane hydrocarbon and 1-pentanol and 1-hexanol alcohols were used as substances. The heat transfer measurements investigated in this work were performed on a standard boiling apparatus consisting mainly of an evaporator and a condenser. The condenser is mounted above the evaporator so that gravity circulation is realized. This eliminates the need for a pump, and the liquid, due to the principle of natural convection, flows back through a second line to the evaporator. The pipe heated electrically by the Joule’s effect is installed horizontally in the evaporator, on whose surface the substance under test evaporates. To reduce losses due to heat transfer to the environment, the entire unit is located in a climate cell. For this purpose, reduced pressures (p*) within the limits of 0.007 to 0.1 and heat flux densities from 50 W/m^2 to 100000 W/m^2 were measured. Before taking the measurements and thus inserting the tube inside the evaporator, an optical measuring device was used to analyze the micro- and macrostructure of the surfaces according to the standard (DIN EN ISO 4287). Then, the measured values were compared with correlations according to Gorenflo (VDI-2010) and Slipcevic, as well as with other results obtained under similar conditions available in the literature. In parallel with the execution of heat transfer coefficient measurements, visual recordings in the form of high-resolution images were made to also have a confirmation of the range of heat flux to identify the point of initiation of nucleated boiling. In the concluding part of the paper, there are deductions from the results obtained on possible changes to be made to the formulations used for calculations in the paper (VDI-2010) particularly when using different materials, roughnesses and substances.

In questo elaborato l'attenzione si concentra sull'ottimizzazione del trasferimento di calore di sostanze pure su tubi lisci e alettati dal punto di vista della micro e macrostruttura in condizioni di convezione naturale. Nella curva di Nukiyama la zona di ebollizione nucleata risulta essere molto efficacie per quanto riguarda il trasferimento del calore, poiché è possibile raggiungere elevati valori del coefficiente di scambio termico per piccole differenze di temperatura. Per questo motivo i processi di evaporazione sono ampiamente utilizzati nella tecnologia energetica e di processo, come nelle centrali elettriche e nei processi di refrigerazione. Nel gran numero di studi sullo scambio termico in ebollizione nucleata, la previsione del coefficiente di scambio termico è ancora basata su metodi empirici o semi-empirici, ma nonostante il crescente numero di teorie, non esiste ancora un metodo di calcolo teoricamente coerente ai dati sperimentali ottenuti in diverse condizioni di pressione ridotta, flusso di calore, materiale e rugosità. Pertanto, la motivazione di questo lavoro risiede nel miglioramento dei metodi predittivi per il calcolo del coefficiente di scambio termico nella zona di ebollizione nucleata, essendo strumenti importanti per la progettazione ottimale dell'evaporatore. In questa indagine, è stato utilizzato un tubo alettato in acciaio inossidabile e due tubi lisci finemente sabbiati in acciaio inossidabile e in rame, mentre come sostanze sono state adoperate l'idrocarburo n-pentano e gli alcol 1-pentanolo e 1-esanolo. Le misurazioni del trasferimento di calore indagate in questo lavoro sono state eseguite su un apparecchio di ebollizione standard costituito principalmente da un evaporatore e un condensatore. Il condensatore è montato sopra l'evaporatore in modo da realizzare una circolazione per gravità. Ciò elimina la necessità di una pompa e il liquido, grazie al principio della convezione naturale, rifluisce attraverso una seconda linea fino all'evaporatore. Il tubo scaldato elettricamente grazie all´ effetto Joule è installato orizzontalmente nell'evaporatore, sulla cui superficie evapora la sostanza in esame. Per ridurre le perdite dovute al trasferimento di calore all'ambiente, l'intero apparecchio si trova in una cella climatica. A tale scopo sono state misurate pressioni ridotte (p*) entro i limiti da 0,007 a 0,1 e densità del flusso di calore da 50 W/m^2 a 100000 W/m^2. Prima di compiere le misurazioni ed inserire così il tubo all’interno dell´ evaporatore, è stato utilizzato un dispositivo di misurazione ottico per analizzare la micro e macrostruttura delle superfici secondo la normativa (DIN EN ISO 4287). In seguito, i valori misurati sono stati confrontati con le correlazioni secondo Gorenflo (VDI-2010) e Slipcevic, nonché con altri risultati ottenuti in simili condizioni disponibili nella letteratura. Parallelamente all'esecuzione delle misurazioni del coefficiente di scambio termico sono state effettuate registrazioni visive sotto forma di immagini ad alta risoluzione per avere anche una conferma del range del flusso di calore per identificare il punto di inizio dell’ebollizione nucleata. Nella parte conclusiva dello scritto sono presenti delle deduzioni a partire dai risultati ottenuti sulle possibili modifiche da apportare alle formulazioni utilizzate per i calcoli nell´ elaborato (VDI-2010) in particolare quando si utilizzano materiali, rugosità e sostanze diversi.