क्रिटिकल हीट फ्लक्स

ऊष्मा स्थानांतरण के अध्ययन में क्रिटिकल हीट फ्लक्स (सीएचएफ़) वह ऊष्मा फ्लक्स है जिस पर बॉयलिंग एक ठोस सतह से द्रव में ऊष्मा स्थानांतरित करने का एक प्रभावी रूप नहीं रह जाता है।

विवरण

फ्लक्स बॉयलिंग की व्यवस्था की प्रगति (ऊपर) और ऊष्मा हस्तांतरण का गुणात्मक विवरण (नीचे)।

बॉयलिंग प्रणालियाँ वह होती हैं जिनमें द्रव शीतलक गर्म ठोस सतह से ऊर्जा को अवशोषित करता है और फेज (पदार्थ) में परिवर्तन करता है। फ्लक्स बॉयलिंग प्रणालियों में, वाष्प की गुणवत्ता बढ़ने पर संतृप्त द्रव फ्लक्स व्यवस्थाओं की श्रृंखला के माध्यम से आगे बढ़ता है। उन प्रणालियों में जो बॉयलिंग का उपयोग करते हैं, इस प्रकार ऊष्मा हस्तांतरण दर द्रव पदार्थ के एकल फेज (अर्थात सभी द्रव या सभी वाष्प) की तुलना में अधिक अधिक होती है। गर्म सतह से अधिक कुशल ऊष्मा स्थानांतरण वाष्पीकरण की ऊष्मा और संवेदी ऊष्मा के कारण होता है। इसलिए, बॉयलिंग ताप हस्तांतरण ने परमाणु ऊर्जा संयंत्र और जीवाश्म ऊर्जा संयंत्रों में मैक्रोस्कोपिक हीट ट्रांसफर एक्सचेंजर्स और इलेक्ट्रानिक्स एकीकृत परिपथ को ठंडा करने के लिए हीट पाइप और माइक्रोचैनल (सूक्ष्मप्रौद्योगिकी) जैसे सूक्ष्म ताप हस्तांतरण उपकरणों में औद्योगिक ऊष्मा हस्तांतरण प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण योगदान दिया है।

गर्मी हटाने के साधन के रूप में बॉयलिंग का उपयोग 'क्रिटिकल हीट फ्लक्स (सीएचएफ)' नामक स्थिति द्वारा सीमित है। इस प्रकार सीएचएफ के निकट होने वाली सबसे गंभीर समस्या यह है कि ऊष्मा हस्तांतरण में महत्वपूर्ण कमी के कारण गर्म सतह का तापमान नाटकीय रूप से बढ़ सकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स कूलिंग या अंतरिक्ष में इंस्ट्रूमेंटेशन जैसे औद्योगिक अनुप्रयोगों में, तापमान में अचानक वृद्धि संभवतः डिवाइस की अखंडता से समझौता कर सकती है।

दो फेज ऊष्मा हस्तांतरण

सामान्यतः गर्म दीवार और कार्य कर रहे द्रव पदार्थ के मध्य संवहन ताप हस्तांतरण को न्यूटन के शीतलन के नियम द्वारा वर्णित किया गया है:

$q=h(T_{w}-T_{f})\,$

जहां $q$ ऊष्मा फ्लक्स का प्रतिनिधित्व करता है $h$ आनुपातिक स्थिरांक का प्रतिनिधित्व करता है जिसे ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक कहा जाता है, $T_{w}$ दीवार के तापमान का प्रतिनिधित्व करता है और $T_{f}$ द्रव तापमान का प्रतिनिधित्व करता है। यदि सीएचएफ़ स्थिति के घटित होने के कारण $h$ अधिक कम हो जाता है तो निश्चित $q$ और $T_{f}$ के लिए $T_{w}$ बढ़ जाएगा जबकि निश्चित $\Delta T$ के लिए $q$ कम हो जाता है

सीएचएफ के मोड

सीएचएफ घटना की समझ और सीएचएफ स्थिति की स्पष्ट पूर्वानुमान परमाणु रिएक्टर, जीवाश्म ईंधन बायलर , संलयन रिएक्टर, इलेक्ट्रॉनिक चिप्स इत्यादि सहित विभिन्न ऊष्मा हस्तांतरण इकाइयों के सुरक्षित और आर्थिक डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण है। इसलिए, इस घटना की बड़े माप पर जांच की गई है नुकियामा के पश्चात् से संसार ने पहली बार इसकी विशेषता बताई थी। 1950 में कुटाटेलैड्ज़े ने बर्नआउट संकट के हाइड्रोडायनामिकल सिद्धांत का सुझाव दिया था। गर्म सतह पिछले दशकों के समय जल-ठंडा परमाणु रिएक्टरों के विकास के साथ विभिन्न महत्वपूर्ण कार्य किए गए हैं। अब घटना के विभिन्न तथ्यों को अच्छी तरह से समझ लिया गया है और सामान्य विभिन्न स्थितियों के लिए विभिन्न विश्वसनीय पूर्वानुमान मॉडल (सार) उपलब्ध हैं।

क्रिटिकल हीट फ्लक्स (सीएचएफ) शब्द का उपयोग लेखकों के मध्य असंगत है। संयुक्त राज्य परमाणु नियामक आयोग ने दो-फेज ताप हस्तांतरण में महत्वपूर्ण कमी से जुड़ी घटना को संकेत करने के लिए "क्रिटिकल बॉयलिंग ट्रांज़िशन" (सीबीटी) शब्द का उपयोग करने का सुझाव दिया है। गर्म सतह एकल प्रजाति के लिए, द्रव फेज में सामान्यतः वाष्प फेज, अर्थात् तापीय चालकता की तुलना में अधिक उत्तम ऊष्मा हस्तांतरण गुण होते हैं। तो सामान्यतः सीबीटी गर्म सतह के साथ स्थानीय स्थिति में कुछ सीमा तक द्रव पदार्थ की कमी का परिणाम है। सीबीटी तक पहुंचने के परिणामस्वरूप दो तंत्र हैं: न्यूक्लियेट बॉयलिंग (डीएनबी) से प्रस्थान और द्रव फिल्म का ड्राईआउट होता है।

डीएनबी

न्यूक्लियेट क्वथनांक (डीएनबी) से प्रस्थान उप-ठंडा फ्लक्स और बबली फ्लक्स शासन में होता है। गर्म सतह डीएनबी तब होता है जब गर्म सतह के पास विभिन्न बबली एकत्रित हो जाते हैं और स्थानीय द्रव की सतह तक पहुंचने की क्षमता बाधित हो जाती है। गर्म सतह और स्थानीय द्रव के मध्य वाष्प के द्रव्यमान को वाष्प कंबल के रूप में संदर्भित किया जा सकता है।

ड्राईआउट

मोर्स एट अल से चित्र। (2021)

ड्राईआउट का अर्थ है ऊष्मा हस्तांतरण सतह पर द्रव का विलुप्त होना जिसके परिणामस्वरूप सीबीटी होता है। गर्म सतह द्रव फिल्म का ड्राईआउट वलयाकार फ्लक्स में होता है। वलयाकार फ्लक्स की विशेषता वाष्प कोर, दीवार पर द्रव फिल्म और कोर के अन्दर फंसी द्रव बूंदें हैं। तरल-वाष्प इंटरफ़ेस पर कतरनी गर्म सतह के साथ द्रव फिल्म के फ्लक्स को संचालित करती है। सामान्यतः, तरल-फिल्म की मोटाई कम होने पर दो-फेज एचटीसी बढ़ जाती है। यह प्रक्रिया ड्राईआउट घटनाओं के विभिन्न उदाहरणों में घटित होती दिखाई गई है, जो सीमित अवधि और स्थिति के लिए स्थानीय होती है। गर्म सतह सीबीटी तब होता है जब किसी स्थानीय स्थिति के शुष्क होने का समय महत्वपूर्ण हो जाता है। एकल शुष्क घटना, या यहां तक ​​कि विभिन्न शुष्क घटनाओं के पश्चात् पहले से शुष्क क्षेत्र [1] के संपर्क में द्रव फिल्म के बने रहने की अवधि हो सकती है। अनुक्रम में होने वाली विभिन्न ड्राईआउट घटनाएं (सैकड़ों या हजारों) ऊष्मा हस्तांतरण से संबंधित ड्राईआउट सीबीटी में महत्वपूर्ण कमी के लिए तंत्र हैं।

पोस्ट-सीएचएफ

पोस्ट-सीएचएफ का उपयोग फ्लक्स बॉयलिंग की प्रक्रिया में सामान्य ऊष्मा हस्तांतरण में क्षय को दर्शाने के लिए किया जाता है, और द्रव बूंदों के बिखरे हुए स्प्रे, निरंतर द्रव कोर, या पिछले दो स्थितियों के मध्य संक्रमण के रूप में हो सकता है। गर्म सतह पोस्ट-ड्राईआउट का उपयोग विशेष रूप से उस स्थिति में ऊष्मा हस्तांतरण में क्षय को दर्शाने के लिए किया जा सकता है जब द्रव केवल बिखरी हुई बूंदों के रूप में होता है, और अन्य स्थितियों को पोस्ट-डीएनबी शब्द से दर्शाया जाता है।

सहसंबंध

क्रांतिक ताप फ्लक्स क्वथनांक वक्र पर महत्वपूर्ण बिंदु है और इस बिंदु के निकट क्वथनांक प्रक्रिया को संचालित करना वांछनीय हो सकता है। चूँकि, कोई भी इस मात्रा से अधिक ऊष्मा नष्ट करने को लेकर सतर्क हो सकता है। जुबेर, समस्या के हाइड्रोडायनामिक स्थिरता विश्लेषण के माध्यम से इस बिंदु को अनुमानित करने के लिए अभिव्यक्ति विकसित की गई है।

${\frac {q}{A_{\text{max}}}}=Ch_{fg}\rho _{v}\left[{\frac {\sigma g\left(\rho _{L}-\rho _{v}\right)}{\rho _{v}^{2}}}\right]^{\frac {1}{4}}(1+\rho _{v}/\rho _{L})$

इकाइयाँ: महत्वपूर्ण फ्लक्स: kW/m²; h_fg: kJ/kg; σ: N/m; ρ: kg/m³; g: m/s².

यह सतह पदार्थ से स्वतंत्र है और स्थिरांक सी द्वारा वर्णित गर्म सतह ज्यामिति पर अशक्त रूप से निर्भर है। बड़े क्षैतिज सिलेंडरों, गोले और बड़ी परिमित गर्म सतहों के लिए, जुबेर स्थिरांक का मान $C={\frac {\pi }{24}}\approx 0.131$. बड़ी क्षैतिज प्लेटों के लिए, का मान $C\approx 0.149$ अधिक उपयुक्त है.

महत्वपूर्ण ताप फ्लक्स दबाव पर अत्यधिक निर्भर करता है। कम दबाव (वायुमंडलीय दबाव सहित) पर, दबाव निर्भरता मुख्य रूप से वाष्प घनत्व में परिवर्तन के माध्यम से होती है गर्म सतह जिससे दबाव के साथ महत्वपूर्ण ताप फ्लक्स में वृद्धि होती है। चूँकि, जैसे-जैसे दबाव महत्वपूर्ण दबाव के निकट पहुँचता है, सतह का तनाव और वाष्पीकरण की ऊष्मा दोनों शून्य में परिवर्तित हो जाते हैं, जिससे वह दबाव निर्भरता के प्रमुख स्रोत बन जाते हैं।

1 एटीएम पानी के लिए, उपरोक्त समीकरण लगभग 1000 किलोवाट/मीटर² के महत्वपूर्ण ताप फ्लक्स की गणना करता है.

यह भी देखें

• लीडेनफ्रॉस्ट प्रभाव
• न्यूक्लिएट का बॉयलिंग

बाहरी संबंध

• Modeling of the boiling crisis
• Film dryout near critical heat flux - video