Page 32 - חוברת תזות הנדסה ירוקה 2023
P. 32
הגדלת מקדם מעבר חום בהסעה ממשטח על-ידי שינוי פני השטח
זיל שויחטברוד1 ;shohat.z@gmail.com ד"ר אלכס קויפמן1, ד"ר גדליה מזור1
1המכללה האקדמית להנדסה ע״ש סמי שמעון
פינוי חום, בהתזה, ממשטחים, החמים באופן משמעותי מטמפרטורת הרתיחה של נוזל הקירור, הינו בעיה, כיוון, שכאשר טמפרטורת המשטח עולה ועוברת את טמפרטורת ה- CHF, מתקבלת ירידה בקצב מעבר החום במקום הגדלה שלו. הערך המינימלי של קצב מעבר החום מתקבל כאשר המשטח החם מגיע לטמפרטורת ליידנפרוסט. נהוג לקרוא לזורמים המשמשים למעבר חום בראשי תיבות HTF )Heat Transfer Fluid). אחד ה-HTF הטובים ביותר הוא מים, כיוון שלמים קיבול חום גבוה מאוד (גם סגולי וגם כמוס), ומוליכות תרמית טובה. אולם, המים רותחים ב- 1000C בלחץ אטמוספרי, ובנוסף עבור מים T_CHF=1300C ו- T_Leidenfrost=2200C, ולכן מים
מתאימים פחות לאפליקציות של קירור בהתזה של משטחים חמים מאוד (מעל 1300C).
כאמור, קירור משטחים בטמפרטורות גבוהות מאוד הינו בעיה, הנפוצה בתחומים שונים בתעשיייה ובחיי היום יום. דוגמה מעשית לכך הינה האסון שהתרחש בתחנת הכוח הגרעינית של פוקושימה, בה היה הצורך המיידי בקירור של הכורים מטמפרטורות של כ-6000C, בזמן קצר ככל האפשר. אחת השיטות להתגבר על הירידה בקצב מעבר החום בעת התזת מים על משטחים מאוד חמים היא שימוש בתמיסות העשויות מחומרים הידרופיליים או הידרופוביים, כמו למשל תמיסות ממלחים שונות בעירבוב עם מים מזוקקים. טמפרטורות הרתיחה של תמיסות מלחים בעירבוב עם מים מזוקקים, הינן גבוהות יותר מטמפרטורת הרתיחה של מים מזוקקים, ולכן תמיסות אלו מצליחות להרטיב טוב יותר את משטח הרתיחה מאשר מים מזוקקים, ובכך להגדיל את מקדם מעבר החום. נוסף על כך, התזה של תמיסות עם מלחים שונים יוצרת שכבות פורוזיביות על פני משטח הרתיחה בזמן הקירור. שכבות פורוזיביות אלו יוצרות מבנים גבישיים על פני משטח הרתיחה, אשר משפרים את יכולות ההרטבה של
משטח הרתיחה, ובהתאם לכך מגדילים גם את שטף החום ממשטח הרתיחה ואת קצב הקירור.
בעבודה זו, בחנו את היישום של תמיסות מלחים שונות כנוזלי קירור למשטח הרתיחה. לצורך בחירת המלחים המתאימים ביותר שישמשו כתוספים לנוזלי קירור לניסויים, נעשתה סקירת ספרות בנושא, אשר בחנה תכונות של מלחים שונים בעירבוב עם מים, ואת מידת השפעתם על קצב הקירור של משטח הרתיחה מטמפרטורות שונות. כמו כן חשוב לציין כי יכולת ההרטבה של משטח הרתיחה תלויה גם במתח הפנים של נוזל הקירור המותז על פני משטח הרתיחה, ולכן לפני הניסויים של קירור משטח הרתיחה, בדקנו מהו מתח הפנים של כל אחת מהתמיסות שבחרנו לצרכי הניסויים. לצורך בחינת התמיסה הטובה ביותר שמאפשרת לנו את קצב הקירור המרבי של משטח הרתיחה, נבנתה מערכת ניסוי אשר מאפשרת לנו לחמם את משטח הרתיחה לטמפרטורה הרצויה ולאחר מכן
לקרר אותו בהתזה.
32
