La curva di ebollizione non è monotona. Al crescere del surriscaldamento di parete, il flusso termico dapprima sale ripidamente, raggiunge un picco, e poi scende. Quel picco è il flusso termico critico, ed è la grandezza che governa la sicurezza.
I regimi
Ebollizione in convezione naturale. A piccolo surriscaldamento non ci sono bolle; il calore esce per convezione monofase.
Ebollizione nucleata. Le bolle si formano sui siti di nucleazione della superficie, si staccano e generano un forte miscelamento. Qui lo scambio termico è più efficiente; la correlazione di Rohsenow modella questo regime riconducendolo alla convezione monofase indotta dal moto delle bolle [1].
Flusso termico critico. La produzione di bolle diventa così densa che il liquido non riesce più a raggiungere la superficie.
Ebollizione a film. La superficie è rivestita da uno strato continuo di vapore. Poiché la sua conducibilità è bassa, lo scambio termico crolla e la temperatura di parete fa un salto — in un sistema a potenza imposta questo significa che la superficie si brucia.
Perché i progetti si basano sul flusso termico critico
Nei sistemi a potenza imposta (riscaldatori elettrici, elementi di combustibile, elettronica di potenza) la transizione è irreversibile: nel momento in cui il flusso supera il picco, il sistema salta all'ebollizione a film e la temperatura fugge. Il criterio di accettazione non è quindi lo scambio medio ma il margine rispetto al flusso critico.
L'ebollizione in deflusso è diversa
Con deflusso dentro un tubo, il regime dipende anche dal pattern di moto: a bolle, a tappi, anulare. Nel regime anulare, se il film liquido a parete si esaurisce (dryout) può verificarsi lo stesso salto di temperatura senza che si sia raggiunto il flusso critico.
Un avvertimento di modellazione
I modelli di ebollizione dipendono fortemente da coefficienti empirici e dalle proprietà della superficie — rugosità, bagnabilità, densità dei siti di nucleazione. Lo stesso fluido su una superficie rivestita diversamente dà una curva diversa. Il risultato va usato in modo comparativo anziché assoluto, e la fonte dei coefficienti dichiarata. Si veda la nota sulle cifre significative.
Riferimenti
- Rohsenow, W. M. (1952). A method of correlating heat transfer data for surface boiling of liquids. Transactions of the ASME, 74, 969–976.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605