Observation of temperature fluctuations in the vicinity of vapor bubbles with microthermocouple device

Abstract

[ES] La ebullición nucleada es un proceso de transferencia de calor convectivo extremadamente eficiente, en el que intervienen varios mecanismos de transferencia de calor. La contribución de los distintos mecanismos puede estudiarse a partir del análisis de los campos de temperatura de la superficie de ebullición y de las fluctuaciones de temperatura dentro del propio fluido de trabajo. Dado que aún no se dispone de modelos físicos completos para describir el complejo proceso de ebullición, es esencial un enfoque experimental para obtener conjuntos de datos de temperatura fiables.

En este diploma se presenta, en primer lugar, la bibliografía existente sobre el tema de la ebullición nucleada, centrándose en la dinámica de formación de burbujas de vapor y la influencia de la temperatura del fluido de trabajo cerca de la superficie de ebullición. En segundo lugar, mejorar la configuración experimental para los estudios de ebullición nucleada en sustratos metálicos delgados para permitir la medición de la temperatura en el líquido a través de un microtermopar, y diseñar un sistema de medición para mediciones de temperatura de alta velocidad y alta resolución en las proximidades de las burbujas de vapor. Realizar mediciones de la ebullición de núcleos de agua en un lugar de nucleación estructurado por láser y obtener mediciones sincronizadas utilizando una cámara de vídeo, una cámara de infrarrojos y un microtermopar. Analizar las fluctuaciones de temperatura del fluido de trabajo durante la ebullición del agua y comparar los resultados con los datos existentes en la bibliografía.

[EN] Nucleate boiling is an effective heat transfer process important in many engineering applications and is mostly evaluated through experimentally obtained data, since modelling is challenging due to the complexity of the process. In this context, obtaining information about the transient temperatures on the surface and in the liquid can help us understand individual contributing mechanisms of bubble growth. While the infrared thermography is reliable approach to measure transient temperature fields at the boiling surface, the in-liquid measurement methods are still underdeveloped. Therefore, this thesis focuses on development and implementation of microthermocouple device that is used for high spatiotemporal resolution temperature measurements in the vicinity of growing vapour bubble during atmospheric boiling of water. Moreover, microthermocouple was implemented into existing boiling setup with synchronized high-speed infrared thermography and video camera. Results consist of static calibration procedure, measurement of microthermocouple’s dynamic response, determination of thermal boundary layer formation under rapid heat input and measurement of temperature in liquid and vapor during bubble growth on laser-textured nucleation site. It is shown that developed methodology has an excellent potential of providing additional dimension on the dataset, needed for evaluation of local heat fluxes at vapor-liquid interface that are currently not well understood.