Flusso critico

Se nel regime di ebollizione nucleata completamente sviluppato lo scambio termico è governato da fenomeni di pool boiling che si ripropongono anche in presenza di getti impattanti, le cose cambiano quando ci si avvicina al flusso critico. I getti sono in grado di estendere la curva di ebollizione nucleata mantenendone invariate le caratteristiche, al contrario la crisi è fortemente legata alle proprietà del getto e dell’accoppiamento con il riscaldatore [1]. I parametri ambientali influenti nel pool boiling, come il sottoraffreddamento, restano influenti anche in presenza di getti. Questo ultimo aspetto induce a pensare che la presenza di un getto non modifichi la fisica della crisi dell’ebollizione a nuclei, ma piuttosto ritardi il verificarsi della condizione critica a temperature e flussi più

32 alti, infatti il modello di CHF di Katto e Haramura [15], menzionato al paragrafo 1.5 sul pool boiling, è stato sviluppato proprio nello studio di getti bollenti.

Fig. 2.9 Getti di vapore sulla superficie scaldante in prossimità del CHF [1]

In fig. 2.9 si vede il regime di ebollizione in prossimità del CHF come descritto da Katto e Haramura.

Si vedrà nel seguito che non sempre un getto è in grado di ritardare la crisi, può addirittura anticiparla [1,26].

Regimi di CHF e influenza della velocità del getto

La dipendenza del CHF dalla velocità del getto è stata studiata soprattutto nel caso di getti liberi, ma in generale si può dire che essa influenza diversamente il CHF a seconda delle condizioni dell’ambiente e dell’entità della portata del getto. Tipicamente si individuano quattro regimi di CHF [1]:

 Regime “L” :

Dipendenza lineare dalla velocità del getto. Rilevato a pressione atmosferica per basse portate del getto. Si ha quando il calore asportato dal riscaldatore è circa uguale al calore necessario a far evaporare tutta la massa di liquido saturo che il getto spinge sulla superficie nell’unità di tempo.

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 Regime “V” :

Dipendenza dalla radice cubica della velocità del getto. Rilevato a pressione atmosferica per portate più alte del getto. La frazione di liquido evaporato nell’unità di tempo è piccola rispetto alla portata del getto.

 Regime “I” : non dipende da

Dipendenza debole o inesistente dalla velocità del getto. Rilevato solo per pressioni superiori a quella atmosferica (6-28 bar [1]). Oltre una certa velocità del getto, dati il fluido di lavoro ed il diametro del riscaldatore, non si ha più aumento del CHF all’aumentare della velocità. Questo fatto è stato espresso da Katto e Shimizu [30], per getti liberi, in termini di un numero di Weber critico:

Dove è il diametro del riscaldatore.

 Regime “HP” :

Dipendenza dalla radice quadrata della velocità. Rilevato per alte pressioni, superiori a quelle del regime “I” (oltre 28 bar) con alti rapporti tra il diametro del riscaldatore e quello dell’ugello.

Nei regimi elencati è diversa anche la dipendenza del CHF dal rapporto di densità tra liquido e vapore e dal rapporto tra diametro del riscaldatore e diametro del getto.

Influenza del sottoraffreddamento

Come nel caso del pool boiling il flusso termico critico aumenta all’aumentare del grado di sottoraffreddamento del fluido [1]. Le correlazioni che tengano conto del sottoraffreddamento sono numerose, ma la loro validità è solitamente limitata a casi particolari o per piccole variazioni del sottoraffreddamento.

Influenza del rapporto

Il rapporto tra il diametro del riscaldatore e quello dell’ugello da cui si origina il getto è un parametro molto influente sul valore del CHF. All’aumentare del rapporto il flusso termico critico si abbassa [1]. Ciò è dovuto al fatto che la crisi dell’ebollizione nucleata si ha nella zona in cui lo scambio termico è peggiore.

34 Nel caso di getto impattante lo scambio termico peggiora nella zona in cui il flusso scorre parallelo alla parete. All’aumentare di aumenta la porzione di parete su cui il getto scorre parallelamente con velocità sempre più bassa, quindi è più facile che si formi un film di vapore alla periferia dell’elemento scaldante. Il film così originatosi tende ad espandersi a tutta la superficie, invadendo anche la zona di ristagno del getto [1,25].

L’influenza del rapporto è tale che se questo parametro aumenta troppo può portare a valori di CHF inferiori a quello del pool boiling, come accade nello studio di Monde e Furukawa [26] relativo a getti liberi, plunging e sommersi. In questo studio il diametro del riscaldatore è , mentre quello del getto è .

Fig. 2.10 [26]

Dove “H” è il livello del fluido sopra la superficie scaldante e “z” è la distanza tra questa e l’ugello. Il valore del CHF per il pool boiling rappresentato dalla retta tratteggiata in figura è quello predetto dalla correlazione di Kutateladze. Da questo diagramma si nota anche come la configurazione di getto sommerso (H=8mm e z=5mm) sia quella a cui corrispondono CHF più alti, cosa ritenuta generalmente vera e riscontrata anche da altri autori [25].

Influenza della distanza tra ugello e superficie di impatto

All’aumentare della distanza tra ugello e parete di impatto il valore CHF decresce. Questo è essenzialmente dovuto al fatto che la velocità del fluido all’impatto diminuisce all’aumentare della distanza dalla parete a parità di velocità di uscita dall’ugello.

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Influenza dell’inclinazione della superficie

Gli studi sul CHF sono stati fatti per inclinazioni diverse della superficie scaldante [1,29], ma non è stata notata alcuna influenza significativa di questo parametro. Una possibile eccezione è stata individuata da Monde e Okuma [27] con uno studio sul regime “L” del CHF su un riscaldatore orizzontale rivolto verso il basso. Questo regime di CHF si ha per basse portate del getto e dipende dal rapporto tra la quantità di liquido evaporato rispetto a quella di liquido che il getto spinge sulla superficie scaldante. Gli autori hanno ritenuto che dipendesse in larga parte dal fatto che il liquido, respinto a seguito dell’impatto con la superficie, venisse allontanato dalla forza di gravità. Per questo motivo immaginarono che il comportamento e la correlazione utilizzata per potessero essere diversi nel caso di un riscaldatore rivolto verso l’alto.