Title: Nucleate boiling. The region of isolated bubbles and the similarity with natural convection
Abstract: Experimental data indicate that nucleate boiling consists of two regions, (a) the region of isolated bubbles and (b) the region of interference. The vapor removal pattern, the flow pattern and the mechanisms of heat transfer in the two regions are discussed and analysed. A criterion for the change from one region to another is presented. In the regime of isolated bubbles, bubbles do not interfere with each other and at any particular point vapor is produced intermittently. Jakob's description of the natural flow circulation in nucleate pool boiling from a horizontal surface is similar to Malkus' and Townsend's description of the flow regime in turbulent natural convection from a horizontal surface. In both cases the heat transfer is caused by the “up-draught” induced circulation. It is shown that the same equations which predict the heat-transfer coefficient and the average turbulent velocity fluctuation in natural turbulent convection from a horizontal surface can be used in the regime of isolated bubbles if the vapor void coefficient i.e. the vapor hold-up is taken into account in evaluating the mean density of the fluid. Equations relating the vapor void coefficient to the heat-transfer coefficient or to the bubble population density and liquid superheat temperature are presented. It is shown that an upper limit exists for the heat-transfer mechanism induced by the “up-draught” circulation. Equations predicting the limiting value of the heat-transfer coefficient and of the heat flux density in the regime of isolated bubbles are presented also. All these results, predicted by the analysis, are shown to be in qualitative and quantitative agreement with experimental data presently available. In the region of interference, bubbles interfere with each other to form continuous vapor columns and patches. Vapor is continuously produced by vaporization of a pulsating micro-layer (proposed and described by Moore and Mesler) at the base of a vapor column or of a vapor patch. In this regime the dominant heat-transfer mechanism is, most probably, the latent heat transport process (formulated by Gaertner) and the latent heat transport associated with the large bursts of vapor caused by collapsing vapor patches. The results of the analysis indicate that a particular regime of nucleate pool boiling (a two-phase problem) can be analysed as a turbulent natural convection problem (a single-phase problem). Applications of similar considerations to other aspects of the two-phase flow appear therefore promising. The important effect of the two-phase flow patterns on the mechanism of heat transfer and on the coefficient of heat transfer for a two-phase mixture is demonstrated again, emphasized and discussed. Les données expérimentales indiquent que I'ebullition nucléée comprend deux régions: (a) la région des bulles isolées et (b) la région d'interférence. Les modèles du transport de vapeur, d'écoulement et les mécanismes de transport de chaleur dans les deux régions sont discutés et étudiés. Un critère pour le passage d'une zone à l'autre est présenté. Dans le régime des bulles isolées, il n'y a pas interférence entre les bulles et la vapeur se produit de façon intermittente en des points particuliers. La description de Jakob de la convection naturelle dans un liquide en ebullition nucléée au-dessus d'une surface horizontale est semblable à celle de Malkus et Townsend pour le régime d'écoulement en convection libre turbulente au-dessus d'un plan horizontal. Dans les deux cas, le transport de chaleur est provoqué par les courants convectifs. On montre que des équations semblables à celles qui donnent le coefficient de transmission de chaleur et la variation de vitesse moyenne turbulente dans le cas de la convection libre turbulente au-dessus d'un plan horizontal peuvent être utilisées dans le cas des bulles isolées si le coefficient d'évacuation de vapeur, c'est-à-dire la vapeur enlevée est prise en considération dans l'évaluation de la densité moyenne du fluide. On donne les équations reliant le coefficient d'évacuation de la vapeur au coefficient de transport de chaleur ou à la densité de population en bulles et à la température du liquide surchauffé. On montre qu'il existe une limite supérieure au mécanisme de transmission de chaleur induit par les courants. Les équations donnant la valeur limite du coefficient de transmission de chaleur et de la densité du flux thermique dans le régime des bulles isolées sont également présentées. Tous ces résultats analytiques se révèlent qualitativement et quantitativement en bon accord avec les données expérimentales actuelles. Dans la zone d'interférence, les bulles se collent les unes aux autres pour former des colonnes continues et des masses de vapeur. La vapeur est produite en permanence par vaporisation d'une micro couche “oscillante” (proposée et décrite par Moore et Mesler) à la base d'une colonne ou d'une masse de vapeur. Dans ce régime, le mécanisme dominant de transmission de chaleur est, le plus probablement, le processus de transport de chaleur latente (formulé par Gaertner) et le transport de chaleur latente associé aux gros éclatements de vapeur provoqués par l'affaissement des masses de vapeur. Les résultats de l'étude indiquent qu'un régime particulier d'ébullition nucléée (problème à deux phases) peut être étudié comme un problème de convection turbulente naturelle (problème à une seule phase). Les applications de considérations semblables à d'autres formes d'écoulement à deux phases apparaissent alors pleine de promesses. L'important effet des modèles d'écoulement à deux phases sur le mécanisme de transmission de chaleur et sur le coefficient d'échange d'un mélange à deux phases est encore démontré et étudié. Nach Versuchsergebnissen erfolgt die Blasenverdampfung in zwei Bereichen: (a) dem Bereich der Einzelblasen und (b) dem Bereich gegenseitiger Blasenbeeinflussung. Die Dampfabfuhr, die Strömungsart und der Wärmetransportmechanismus in beiden Bereichen werden diskutiert und analysiert. Ein Kriterium für den Übergang von einem Bereich in den anderen ist angegeben. Im Bereich der Einzelblasen entsteht Dampf intermittierend an den Keimstellen und die Blasen stören sich gegenseitig nicht. Jakobs Beschreibung der Zirkulationsströmung beim Blasensieden unter freier Konvektion an einer waagerechten Fläche ist ähnlich der Beschreibung von Malkus und Townsend, des Strömungsverlaufs bei turbulenter freier Konvektion über einer waagerechten Oberfläche. In beiden Fällen beruht der Wärmetransport auf der vom Auftrieb hervorgerufenen Zirkulation. Es zeigt sich, dass die Gleichungen, die den Wärmeübergangskoeffizienten und die mittlere turbulente Geschwindigkeitsschwanking der turbulenten freien Konvektion über einer waagerechten Oberfläche bestimmen, auch für den Bereich der Einzelblasen anwendbar sind, wenn zur Berechnung der mittleren Flüssigkeitsdichte der Dampfraumkoeffizient d.h. der Dampfanteil berücksichtigt wird. Gleichungen, die den Dampfraumkoeffizienten mit dem Wärmeübergangskoeffizienten oder mit der Blasendichte und der Überhitzungstemperatur der Flüssigkeit verbinden, sind angegeben. Der Wärmetransportmechanismus, wie er von der Auftriebszirkulation hervorgerufen wird, besitzt eine obere Grenze. Gleichungen für den Grenzwert des Wärmeübergangskoeffizienten und der Wärmeflussdichte im Bereich der Einzelblasen sind angegeben. Alle diese, durch die Analyse erhaltenen Ergebnisse stimmen mit gegenwärtig verfügbaren Versuchsresultaten qualitativ und quantitativ gut überein. Im Bereich gegenseitiger Blasenbeeinflussung stören sich die Blasen als kontinuierliche Dampfsäulen oder Ballen. Durch Verdampfung einer pulsierenden Mikroschicht (wie sie von Moore und Mesler vorgeschlagen und beschrieben wurde) am Fuss jeder Dampfsäule und jedes Dampf ballens wird fortwährend Dampf nachgeliefert. In diesem Bereich beruht der Mechanismus des Hauptwärmetransports höchstwahrscheinlich auf dem Transport latenter Wärme (wie von Gärtner formuliert) und dem Transport latenter Wärme in Verbindung mit der ausgedehnten Dampfverteilung beim Zusammenbruch der Dampf ballen. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass ein Teilbereich des Blasensiedens unter freier Konvektion (ein Zweiphasenproblem) als ein Problem der turbulenten freien Konvektion (als ein Einphasenproblem) analysiert werden kann. Die Anwendung ähnlicher Betrachtungen auf andere Gegebenheiten der Zweiphasenströmung scheinen somit erfolgversprechend. Der wichtige Einfluss der Art der Zweiphasenströmung auf den Mechanismus des Wärmetransports und auf den Wärmeübergangskoeffizienten eines Zweiphasengemisches ist wiederum gezeigt und besonders diskutiert.
Publication Year: 1963
Publication Date: 1963-01-01
Language: en
Type: article
Indexed In: ['crossref']
Access and Citation
Cited By Count: 410
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