Pytania na zaliczenie z przedmiotu „Przepływy dwufazowe w instalacjach przemysłowych”

1. Wyjaśnić pojęcie wrzenia, kondensacji i flashingu.

Wrzenie - jest procesem zamiany cieczy, będącej w stanie nasycenia, w parę podczas dostarczania ciepła.

Kondensacja - Proces odwrotny, czyli zamiany pary w ciecz. Warunkiem koniecznym kondensacji jest aby temperatura powierzchni była niższa od temperatury nasycenia cieczy odpowiadającej danemu ciśnieniu.

Flashing – jest to proces, który ma miejsce, gdy obniżane jest ciśnienie gorącej cieczy i powstaje wówczas para.

1. Zdefiniować pojęcie stopnia zapełnienia, poślizgu faz oraz stopnia suchości.

Stopień zapełnienia jest zdefiniowany stosunkiem objętości zajmowanej przez fazę parową Vv do objętości mieszaniny dwufazowej V=Vl+Vv,:

Istnieje także uproszczona definicja stopnia zapełnienia oparta na stosunku przekroju kanału zajmowanego fazą parową do całego przekroju:

gdzie A jest polem przekroju równym sumie powierzchni przekroju zajętych przez dwie fazy:

W przepływie nierównowagowym stopień zapełnienia jest trudny do określenia i przyjmuje się go jak dla warunków adiabatycznych.

Stopień suchości wyraża masowy udział fazy parowej:

Poślizg faz : Jednym ze zjawisk występujących podczas współprądowego przepływu układów wielofazowych jest różnica średnich prędkości ich składników, czyli tzw. poślizg. W jego efekcie udział faz, wynikający z relacji ich strumieni na wlocie do rury, jest inny niż rzeczywisty stopień jej zapełnienia każdą z nich. Fakt ten sprawia, że kłopotliwe staje się ustalenie tak podstawowych właściwości układu, jak chociażby jego gęstość. Poślizg ujawnia się szczególnie wyraźnie w trakcie przepływu układu ciecz-gaz w rurze pionowej i dla takiego właśnie przypadku jest najlepiej przebadany i opisany w literaturze przedmiotu. Ze względu na istotną różnicę pomiędzy gęstością cieczy i gazu, jego rozproszone pęcherze poruszają się względem ściany rury z prędkością wyraźnie odmienną niż strumień ciągłej fazy ciekłej. Poślizg ujawnia się również podczas przepływu innych układów dwufazowych, w tym układu ciecz – ciecz. Jednak szereg możliwych relacji pomiędzy właściwościami faz w układzie ciecz – ciecz komplikuje opis ich poślizgu. W układzie ciecz – gaz jest on łatwiejszy, bo relacje gęstości i lepkości gazu do cieczy są jednoznacznie mniejsze od jedności, a napięcie powierzchniowe ujawnia tylko jedna z faz.

1. Zdefiniować prędkość masową (G) cieczy i pary oraz prędkość pozorną.

Dla kanału o polu przekroju A, definiuje się masowe natężenie przepływu G:

Prędkość cieczy:

Prędkość pary:

Prędkość pozorna: prędkością pozorną u, zwaną też prędkością filtracji, która jest odniesiona do całego przekroju poprzecznego (do pustej kolumny);

Prędkość filtracji jest bardziej pojęciem abstrakcyjnym niż fizykalnym, gdyż nie stanowi średniej prędkości cząstek płynu poruszających się w kanałach systemu porów ośrodka porowatego. Tę ostatnia wielkość reprezentuje prędkość adwekcji . Różnica pochodzi stąd, że powierzchnia całkowania we wzorze definicyjnym odnosi się do całego ośrodka porowatego, a nie do przekrojów kanałów porowych, w których odbywa się ruch płynu. Jednakże wektory prędkości filtracji i prędkości adwekcji są zawsze do siebie równoległe i mają zgodnie skierowane zwroty, a różnią się jedynie długością. Między wektorami tymi zachodzi związek liniowy

gdzie jest porowatością ośrodka porowatego.

Wykorzystywana jest głównie do równania opisującego opory przepływu przez warstwy porowate:

- współczynnik oporu -

- długość kolumny

- średnica zastępcza ziarna

- prędkość pozorna płynu (liczona na pusty aparat)

- gęstość płynu

- porowatość warstwy wypełnienia

- czynnik kształtu

- wykładnik równania Leva -

1. Przejścia fazowe pierwszego i drugiego rodzaju – definicje i przykłady.

Przejścia fazowe pierwszego rodzaju charakteryzują się skokową zmianą własności, wyrażonych poprzez pierwsze pochodne swobodnej entalpii, takich jak np. objętość właściwa, entropia właściwa, entalpia właściwa itp.
Do przejść fazowych pierwszego rodzaju można zaliczyć:

_ parowanie (wrzenie),

_ kondensację,

_ topnienie,

_ krzepnięcie,

_ sublimację lub zmianę alotropową ciała stałego.

Przejścia fazowe drugiego rodzaju wyróżniają się tym, że pierwsze pochodne zmieniają się skokowo.

Przykładem przejść fazowych drugiego rodzaju są:

_ przejścia żelaza ze stanu ferromagnetycznego do stanu

paramagnetycznego w punkcie Curie,

_ przejście metali ze stanu normalnego do stanu nadprzewodnictwa przy

braku pola magnetycznego,

_ przejście ciekłego helu I w ciekły hel II.

1. Przedstawić na wykresie T-h i omówić izobaryczną przemianę wody od fazy lodu do pary przegrzanej.

Dla fazy stałej tj. lodu, doprowadzenie ciepła, równoważne przyrostowi entalpii lodu, związane jest z przyrostem temperatury aż do momentu, gdy zostanie osiągnięty stan ls przy temperaturze około 273K. W tym momencie rozpoczyna się przemiana fazowa, przy stałej temperaturze Tls zwana topnieniem. Pomiędzy stanem ls i l występuje system dwufazowy składający się z lodu i z wody. Ciepło potrzebne do zamiany lodu w wodę równe przyrostowi entalpii nazywa się entalpią topnienia. Po osiągnięciu stanu l mamy ponownie system jednofazowy. Jest to faza ciekła. W zakresie istnienia jednej fazy przyrosty entalpii ponownie

wiążą się ze wzrostem temperatury, aż do osiągnięcia punktu gl, od którego rozpoczyna się zjawisko parowania (wrzenia) przy stałej temperaturze Tlg.

Od punktu gl do punktu g mamy do czynienia z mieszaniną cieczy i pary. Po doprowadzeniu ciepła równoważnego entalpii parowania uzyskujemy parę wodną. Wielkości Dhls, Dhlg, Tls, Tlg zależą tylko od ciśnienia P. Zwiększanie ciśnienia powoduje wzrost temperatury parowania Tlg i jednocześnie zmniejszenie entalpii parowania . Zmniejszanie ciśnienia może doprowadzić do bezpośredniej zmiany lodu w parę. Zjawisko to nazywa się sublimacją.

1. Poślizg temperaturowy. Mieszanina azeotropowa i azeotropa.

Linia ABC jest często nazywana linią pęcherzyków (buble point Line) a linia ADC jest nazywana linią rosy (Dew Point Line). Dla czynników chłodniczych różnica temperatury między punktem rosy, a punktem pęcherzyków jest nazywana poślizgiem temperaturowym. Poślizg temperaturowy podczas procesów zmiany fazy jest bardzo mały dla mieszanin blisko azeotropowych.

Azeotropa jest punktem, w którym stężenie cieczy fazy ciekłej i parowej są identyczne. Niektóre mieszaniny binarne posiadają jedną lub więcej azeotrop dla rożnych koncentracji. Najczęściej spotykana jest pojedyncza azeotropa i prowadzi ona do wykresów T – X i P – X.

Mieszanina azeotropowa zachowuje się jak nasycona mieszanina jednoskładnikowa i nie posiada poślizgu temperaturowego. Mieszaniny azeotropowe do wykorzystania w chłodnictwie spotyka się bardzo rzadko, ponieważ trudno jest znaleźć taką, która spełnia inne wymagane własności potrzebne do zastosowań technicznych w chłodnictwie. Mieszanina jest nazywana blisko azeotropową, jeśli podczas wrzenia lub kondensacji, stężenie cieczy i pary niewiele różnią się od siebie. Innymi słowy, poślizg temperaturowy podczas procesów zmiany fazy jest bardzo mały dla mieszanin blisko azeotropowych.

1. Napięcie powierzchniowe – definicja, rola w analizie procesów wrzenia i kondensacji.

Wspołczynnik napięcia powierzchniowego definiujemy jako stosunek б= W/S [ N/s] lub jako
б= F/l, gdzie F jest siłą działającą stycznie do powierzchni cieczy, a l jest długością brzegu tej powierzchni, W – praca, S – powierzchnia cieczy

Powierzchnia rozgraniczająca między dwoma płynami niemieszalnymi może być modelowana jako nieskończenie cienka membrana, która ogranicza rozciąganie i ma tendencję do kurczenia się. Napięcie powierzchniowe _ charakteryzuje opor powierzchni międzyfazowej na rozciąganie. Definicja termodynamiczna napięcia powierzchniowego wynika z bilansu energii dla układów równowadze posiadającego powierzchnię międzyfazową:

gdzie U jest energią wewnętrzną układu, S jest entropią, б jest napięciem powierzchniowym ξi jest potencjałem chemicznym składnika i, mi jest masą składnika i, a AI jest całkowitą powierzchnią międzyfazową w układzie.

ze wzrostem ilości kondensującej pary wzrasta grubość warstwy kondensatu, co powoduje wzrost oporów przepływu ciepła i wzrost różnicy temperatury ścianki i nasycenia. Wzrost oporu cieplnego

warstwy kondensatu powoduje również spadek wartości współczynnika przejmowania ciepła. Przy laminarnym spływie kondensatu mniejszej wartości liczby Re odpowiadają większe wartości współczynnika przejmowania ciepła. Wynika to bezpośrednio z mniejszej grubość warstwy kondensatu i mniejszego oporu przewodzenia ciepła. Niemniej jednak wzrost różnicy temperatur powoduje dodatkowe wymuszenie, które powoduje wzrost przepływającego strumienia ciepła, pomimo że współczynnik przejmowania ciepła maleje. Sumarycznie można stwierdzić, że im większa jest liczba Reynoldsa tym większy jest strumień ciepła przekazywany do chłodnej ścianki.

1. Statyczny i dynamiczny kąt zwilżania.

Wartość kąta zwilżania dla układu ciecz- ciało stałe nie jest wartością stałą. Zależy on od względnego ruchu pomiędzy linią ciało stałe – ciecz – gaz, a powierzchnią ciała stałego. W przypadku braku jakiegokolwiek ruchu mamy do czynienia ze statycznym kątem zwilżania ϴ0.
Dynamiczny ( postępujący i wsteczny) Kiedy powierzchnia międzyfazowa gaz – ciecz porusza się w kierunku fazy gazowej, tj. kiedy ciecz rozpływa się po powierzchni, mamy do czynienia z postępującym kątem zwilżania ϴa ( advancing contact angle). Wsteczny kąt zwilżania ϴr (receeding contact angle) obserwujemy, gdy powierzchnia międzyfazowa gaz-ciecz porusza się wkierunku fazy ciekłej. Generalnie ϴr < ϴ0 < ϴa.

1. Efekt termokapilarny. Definicje i przykłady.

Efekt termokapilarny odnosi się do przestrzennej zmienności napięcia powierzchniowego wynikającego z nierównomierności temperatury na powierzchni międzyfazowej gaz – ciecz. Nierównomierność napięcia powierzchniowego prowadzi do powstania wypadkowej siły stycznej, która może się pojawić w postaci wypadkowej siły działającej na rozproszoną cząstkę płynu lub wymusić przepływ płynu w spokojnym polu przepływu. Taki ruch płynu nazywa się efektem Marangoniego.

Jednym z najlepiej znanych przepływów wymuszony zmianami napięcia powierzchniowego, jest przepływ w celach Benarda. Ciepła ciecz płynie do góry do punktu A, a stąd pod powierzchnią w kierunku punktu B. Podczas tego przepływu temperatura cząstek cieczy zmniejsza się, przez oddanie ciepła do gazu. Poniżej punktu B ochłodzona nieco ciecz płynie do dołu do podstawy filmu cieczowego. Gradient temperatury, który powstaje na powierzchni międzyfazowej ciecz- gaz oraz

wynikający stąd gradient napięcia powierzchniowego napędzają ruch cyrkulacyjny.
Warunki wymagane do początku ruchu w celi Benarda mogą być modelowane. Taka analiza wykazuje, że ruch w celach zależy od liczb bezwymiarowych odpowiednio Marangoniego, Biota, Bonda oraz Crispationa:
gdzie l jest wymiarem charakterystycznym a αL współczynnikiem dyfuzji cieplnej cieczy. Liczba Marangoniego przedstawia stosunek sił wynikających z nierównomierności napięcia powierzchniowego oraz sił lepkości.

1. Wymienić i krótko opisać struktury przepływu dwufazowego w kanale pionowym. Narysować rozkład temperatury płynu i ścianki w przepływie z wrzeniem.

W adiabatycznych kanałach pionowych można wyodrębnić 5 struktur:

• Przepływ o strukturze pęcherzykowej (ang. bubbly flow) tzn. taki, gdzie fazaparowa przepływa w postaci rozproszonych pęcherzy w ciągłym ośrodku fazy ciekłej.

• Przepływ korkowy (ang. slug flow) czyli przepływ, w którym występują formy parowe w postaci dużych pęcherzy wypełniających prawie cały przekrój kanału. Pęcherze te przyjmują kształt zbliżony do pocisków. Przestrzeń pomiędzy tymi dużymi pęcherzami wypełniają korki płynu o niejednorodnej strukturze pęcherzykowej.

• Przepływ wirowo-pierścieniowy (ang. churn flow) charakteryzujący się tym, że faza ciekła przybiera, na przemian, kształt niestabilnego, pofalowanego pierścienia przylegającego do ścianek kanału oraz krótkiego korka wypełniającego cały przekrój kanału. Przepływ ten obserwuje się w kanałach o dużych średnicach, jako wynik procesu periodycznego rozrywania długich pęcherzy.

• Przepływ pierścieniowo-mgłowy (ang. annular flow), w którym faza ciekła w postaci filmu omywa ścianki kanału a środkiem przepływa strumień składający się głównie z fazy parowej.

• Przepływ pierścieniowy z zawiesiną kropel (ang. wispy-annular flow) wyróżniający się tym, że porywana przez fazę parową ciecz występuje w postaci dużych brył-wydłużonych kropel, których rozmiary są stopniowo coraz mniejsze, gdy prędkość wzrasta.

1. Wymienić i krótko pisać struktury przepływu w kanałach poziomych.

Struktury przepływu w kanałach poziomych w przypadku małych1 i dużych2 natężeń przepływu cieczy:

1. Pęcherzykowy – dominuje w pobliżu początku wrzenia w przepływie

2. Korkowy – generowana jest większa ilość pary w przepływie i stopień zapełnienia wzrasta

3. Pierścieniowy – w przypadku kiedy grubość filmu cieczowego na ściance maleje, odparowanie filmu może być tak silne, że staje się mechanizmem dominującym

4. Mgłowy – przyspieszenie rdzenia parowego podczas ostatnich etapów procesu odparowania bardzo często prowadzi do zjawiska parowania kropel. Tego typu efekt połączony z bezpośrednim odparowaniem filmu prowadzi również do dalszej redukcji grubości filmu cieczowego w kierunku przepływu

1. Narysować i omówić krzywą wrzenia w objętości, oznaczyć punkty charakterystyczne i wyjaśnić ich znaczenie.
   

2. Pierwszy kryzys wrzenia I-go rodzaju w przepływie – wymień i opisz 3 mechanizmy jego powstawania.

3 MECHANIZMY:

a) wysychanie filmu pod rosnącym pęcherzykiem: Parowanie mikrowarstwy cieczy pod rosnącym pęcherzykiem na ogrzewanej ściance(rys. a). Tuż przed oderwaniem się pęcherzyka parowanie mikrowarstwy może pozostawić suchy obszar ścianki pod pęcherzykiem. Jeżeli ścianka jest ogrzewana stałym strumieniem ciepła to temperatura suchej plamy na powierzchni kanału może przewyższyć tzw. temperaturę Leidenfrosta, powodując, że ta część ścianki stanie się niezwilżalna. Kontynuowane parowanie mikrofilmu na obwodzie suchego obszaru powoduje dalszy jego wzrost. Może to w konsekwencji prowadzić do wyschnięcia całej ścianki oraz powstania mechanizmu wrzenia błonowego na takiej ściance.

b) aglomeracja pęcherzyków przy ściance kanału: Drugi mechanizm, może występować dla średnich stopni przechłodzenia płynu, tj. Takich przy których powstaje ruch drobnych pęcherzyków przy ściance. W takich przypadkach, pęcherzyki mogą się zbierać w warstwie przyściennej (rys. b). Jeżeli koncentracja pęcherzyków oraz rozmiar warstwy przyściennej będą duże, to może okazać się, że dopływ cieczy do powierzchni ścianki będzie pogorszony. Ciecz występująca pod pęcherzykami, jak i ta rozdzielająca je, może wówczas odparować oraz spowodować powstanie suchych plam na ściance. Suche obszary, które powstały w ten sposób, mogą się powiększać kosztem braku dopływu cieczy z rdzenia przepływu, prowadząc w efekcie do wrzenia błonowego.

c) wysychanie filmu pod dużym pęcherzem parowym: Trzeci mechanizm związany jest ze strukturą korkową w przepływie nasyconym o małym stopniu suchości. Jest to struktura właściwa dla dużych strumieni ciepła. Podczas ruchu pęcherzyka w kształcie korka, w obecności dużego strumienia ciepła na ściance, cienka warstwa cieczy oddzielająca pęcherzyk parowy od ścianki może odparować, prowadząc w pewnych lokalizacjach do powstania suchego obszaru, jak to pokazano na rys. c. W przypadku istnienia dużych strumieni ciepła temperatura ścianki kanału może przewyższyć temperaturę Leidenfrosta i spowodować brak zwilżalności powierzchni. Suchy obszar będzie wówczas się powiększał prowadząc w konsekwencji do wrzenia błonowego.

1. Pierwszy kryzy wrzenia II-go rodzaju w przepływie.

W przypadku średnich lub dużych wartości stopnia suchości mamy do czynienia przede wszystkim z konfiguracją pierścieniową przepływu, a zmiana mechanizmu wymiany ciepła polega przede wszystkim na odparowaniu filmu cieczowego na ściance kanału. Dla takiego zakresu warunków wymiany ciepła mówimy o wysychaniu filmu (ang. dryout). Należy nadmienić, że duże prędkości pary, które są charakterystyczne dla tego przypadku, przyczyniają się do intensywnego przejmowania ciepła od ścianek kanału. W konsekwencji spadek współczynnika przejmowania ciepła podczas wyschnięcia ścianek nie jest aż tak gwałtowny jak ten, z którym mamy do czynienia podczas zmiany

mechanizmu wymiany ciepła z wrzenia pęcherzykowego na wrzenie błonowe, przy takim samym masowym natężeniu przepływu.

1. Drugi kryzys wrzenia w przepływie – mechanizm powstawania.

Badania eksperymentalne wskazują na istnienie w przypadku przepływu o stosunkowo niewielkich

wydatkach masowych tzw. Odwróconego przepływu pierścieniowego (ang. Inverted annular flow). Film parowy wzdłuż ścianki kanału nie jest gładki i wykazuje nieregularności w różnych miejscach. Tego typu zachowanie jest podobne do nieregularnego zachowania się filmu, którego siłą napędową są siły bezwładności na pionowej ściance. Nieregularne pęcherzyki mają skłonności do zachowania swej odrębności i poruszają się w kierunku przepływu z prędkością nieco mniejszą od prędkości maksymalnej w filmie parowym.

1. Model jednorodny – założenia, wady i zalety.

Opis przepływu dwufazowego za pomocą modelu jednorodnego jest bardzo szczególnym przypadkiem przepływu. Traktujemy wówczas przepływ dwufazowy jako jednorodną mieszaninę, gdzie faza parowa i ciekła przemieszczają się z jednakowymi prędkościami. W takiej sytuacji poślizg międzyfazowy, czyli stosunek prędkości fazy parowej do ciekłej równa się jedności, s=1.Własności fizyczne występujące w takim przepływie muszą być uśrednione ze względu na mieszaninę roztworu. Można też stwierdzić, że równania zachowania opisujące przepływ są identyczne jak dla przepływu jednofazowego.

Podsumowując, model jednorodny sprowadza zagadnienie przepływu dwufazowego do wyidealizowanego przepływu jednofazowego, gdzie występuje znaczna zmienność własności fizycznych oraz ściśliwości przepływu. Model jest prosty, spójny oraz bez żadnych dwuznaczności. Oprócz założenia o jednorodności przepływu oraz równowadze wymagane są dodatkowe założenia. Model jednorodny jest dobrym w analizie przepływów pęcherzykowych oraz kroplowych aczkolwiek należy zwracać uwagę na fakt, że poślizg międzyfazowy nie może być zbyt duży. Oznacza to raczej duże prędkości przepływu. W związku z powyższym jest niezalecany do analizy przepływów, w których objawia się rozwarstwienie przepływu. Uważa się, że można stosować model jednorodny gdy rg/rl<10 oraz G>2000 kg/m2s. W przypadku wody, pierwszy z warunków występuje dla p>120 bar

1. Model poślizgowy – założenia, wady i zalety.

W przypadku ogólnym model poślizgowy wymaga znajomości dwóch parametrów, które dobiera się na drodze teoretycznej lub eksperymentalnej. Wartości uzyskane eksperymentalnie z reguły posiadają wartości stałe lub opisane są prostymi zależnościami. Wśród modeli poślizgowych największą popularność zyskał sobie model, w którym prędkość unoszenia danej fazy

względem prędkości środka objętości wyraża się poprzez funkcję Vdj zdefiniowaną jako:

1. Model dwupłynowy czteropolowy – idea modelu, wykresy stopnia zapełnienia kanału dla różnych struktur.

Model czteropolowy, posiadający teoretyczne możliwości ciągłego modelowania przejścia wszystkich możliwych struktur, tj. rozproszonej fazy gazowej, fazy gazowej ciągłej, ciągłej fazy cieczowej oraz rozproszonej fazy cieczowej, został przebadany na szeregu danych eksperymentalnych wykazując zadowalające wyniki. Model dwupłynowy czteropolowy jest przypadkiem szczególnym modelu dwupłynowego. Podstawą modelu dwupłynowego jest przyjęcie dwóch ośrodków ciągłych

(continuów) odpowiadających dwóm fazom, ciekłej i gazowej. Każdy punkt przestrzeni należy do obu ośrodków ciągłych oraz dodatkowo formułuje się sprzężenia między tymi ośrodkami.

1. Wyznaczanie spadku ciśnienia w przepływie dwufazowym – 3 składowe, mnożnik dwufazowy – definicja, zastosowanie.

Całkowity spadek ciśnienia p w przepływie dwufazowym jest modelowany

jako wynik tarcia w przepływie dwufazowym, zmiany ciśnienia hydrostatycznego oraz przyspieszenia mieszaniny dwufazowej:

gdzie indeks dolny TP odnosi się do spadku ciśnienia spowodowanego tarciem w przepływie dwufazowym, h - spadku ciśnienia hydrostatycznego, a - spadku ciśnienia spowodowanego zmianą pędu mieszaniny dwufazowej (człon przyspieszeniowy).

Opory przepływu dwufazowego są większe niż w przepływie jednofazowym o tym samym natężeniu przepływu. Z reguły definiuje się tzw. Mnożnik dwufazowy przepływu :

W zależności ΔpTP oznacza straty ciśnienia w przepływie dwufazowym a ΔpO całkowity spadek ciśnienia w przepływie, w którym występowałaby tylko ciecz lub para, czyli ΔpO=Δpl dla cieczy lub ΔpO= Δpv dla pary. Indeks LO i GO odnosi się do tarciowego spadku ciśnienia gdy cała

mieszanina jest albo cieczą albo gazem. Człony z indeksem L odnoszą się do tarciowego spadku ciśnienia gdy ciecz płynie w kanale z gęstością strumienia masy G(1 − x), a indeks G odnosi się do sytuacji gdy gaz płynie w kanale z gęstością strumienia masy równą Gx .

1. Wrzenie pęcherzykowe - omówić proces powstawania i wzrostu pęcherzyka.

Wrzenie pęcherzykowe jest wtedy, gdy na powierzchni grzejnej powstają osobne pęcherzyki pary. Podstawową cechą wrzenia pęcherzykowego jest fakt istnienia w lokalnie przegrzanej cieczy pęcherzyków pary. Schemat przepływu cieczy w czasie wzrostu pęcherza pary:

a) przepływ cieczy w laminarnej warstwie przyściennej w fazie wzrostu pęcherza,

b) przepływ cieczy w laminarnej warstwie przyściennej w fazie oderwania

się pęcherza, c) cyrkulacja cieczy w sąsiedztwie ściany pęcherza

Parowanie mikrowarstwy cieczy pod rosnącym pęcherzykiem na ogrzewanej ściance. Tuż przed oderwaniem się pęcherzyka parowanie mikrowarstwy może pozostawić suchy obszar ścianki pod pęcherzykiem. Jeżeli ścianka jest ogrzewana stałym strumieniem ciepła to temperatura suchej plamy na powierzchni kanału może przewyższyć tzw. temperaturę Leidenfrosta, powodując, że ta część ścianki stanie się niezwilżalna. Kontynuowane parowanie mikrofilmu na obwodzie suchego obszaru powoduje dalszy jego wzrost. Może to w konsekwencji prowadzić do wyschnięcia całej ścianki oraz powstania mechanizmu wrzenia błonowego na takiej ściance.

1. Wyznaczanie współczynnika przejmowania ciepła podczas wrzenia w przepływie.

Zależność współczynnika przejmowania ciepła i natężenia strumienia ciepła od różnicy temperatury ścianki i cieczy podczas wrzenia (WP – wrzenie pęcherzykowe)

Dla wody można stosować wzory:

α = 2,53 p^0,176 q^0,7 lub α = 22 p^0,58∆T^2,33 (52)

gdzie:

p – ciśnienie w bar,

∆T – różnica temperatury ścianki i wrzącej cieczy w K, q – strumień ciepła liczony ze wzoru:

Przejmowanie ciepła charakteryzuje sumaryczna dyssypacja energii: konwekcyjnego przepływu i wywołana generacją pęcherzyków parowych. W wyniku przeprowadzonej analizy teoretycznej Mikielewicz otrzymał zależność:

1. Zasada działania rurki ciepła.

Rurka ciepła ze strukturą kapilarną

Rurka ciepła z knotem i termosyfony funkcjonują zarówno jako zamknięty, dwufazowy cykl, jak również wykorzystują utajone ciepło parowania, by transportować ciepło przy bardzo małych gradientach temperatury. Działanie termosyfonów polega całkowicie na grawitacyjnych siłach w celu zawrócenia ciekłej fazy roboczego płynu ze skraplacza do parownika, natomiast rurki ciepła z knotem wykorzystują pewien rodzaj porowatej, włoskowatej kapilarnej struktury, by umożliwić przepływ cieczy od skraplacza do parownika. W wyniku kapilarnego pompowania występującego w knocie, rurki ciepła ze strukturą porowatą mogą zostać użyte w poziomym ustawieniu. Powoduje to mikrograwitacje otoczenia, gdzie kapilarna struktura musi pompować płyn przeciw grawitacji od skraplacza do parownika. Cechą odróżniającą termosyfony od rurek ciepła z knotem jest występowanie w tych drugich charakterystycznej zależności miejscowego, grawitacyjnego pola, umożliwiającego przepływ strumienia cieczy od skraplacza do parownika.

Grawitacyjna rurka ciepła

Rurka ciepła (Heat Pipe) jest urządzeniem, które do przekazywania ciepła wykorzystuje dwufazowy, zamknięty cykl z odparowaniem płynu roboczego w parowniku, a następnie jego skropleniem w skraplaczu. Jedną z głównych zalet urządzenia jest wysoka efektywność, umożliwiająca przekazywanie znacznych ilości ciepła, przy niewielkiej różnicy temperatury. Dzięki występowaniu parowania połączonego z konwekcją, zdolność w odbiorze ciepła i efektywność jego transportu w rurkach ciepła jest znacznie wydajniejsza od przewodzenia ciepła w nawet najlepszych przewodnikach. Rurki ciepła cechuje również szeroki zakres pracy od 2 K dla kriogenicznych rurek ciepła wykorzystujących jako płyn roboczy np. Hel, aż do temperatury rzędu 2000 K dla wysokotemperaturowych rurek ciepła wykorzystujących jako płyn roboczy ciekły metal np. Lit, Potas lub Srebro.

1. Różnica między kondensacją błonową i kroplową.

Kondensacja kroplowa charakteryzuje się bardzo wysokimi współczynnikami przejmowania ciepła, znacznie wyższymi niż kondensacja błonowa. Pierwsza z nich, a zatem kondensacja kroplowa to proces, podczas którego na powierzchni powstają krople kondensatu. Można ją wywołać na powierzchni nie zwilżonej przez ciecz lub też przez sztuczne pokrycie powierzchni odpowiednimi warstwami np. tłuszczu. Druga z nich -kondensacja błonowa -to proces kondensacji, podczas którego na powierzchni powstaje film cieczy. Kondensacja taka zachodzi na powierzchni, która może być dobrze zwilżona przez ciecz, przy czym w praktyce na ogół spotyka się kondensację błonową oraz mieszaną.

Podczas kondensacji błonowej grubość filmu cieczy rośnie na skutek odprowadzania ciepła od ścianki i pod wpływem sił ciężkości film ten zaczyna spływać w dół. Ruch kondensatu jest laminarny, po czym przy dalszym wzroście grubości filmu przechodzi w laminarny falowy, a następnie w turbulentny.

1. Wymień założenia upraszczające przy rozważaniu kondensacji na pionowej ściance (teoria Nusselta)

Rozważamy kondensację pary nasyconej na pionowej ściance, wprowadzając następujące założenia upraszczające (teoria Nusselta(1916)):
-ruch filmu jest laminarny,
-gradient ciśnienia oraz siły bezwładności filmu są zaniedbywalne,
-prędkość kondensatu przy ściance równa jest zeru,
-temperatura na powierzchni rozdziału faz równa jest temperaturze nasycenia, Ti= Ts,
-ruch pary jest pomijalny,
-temperatura ścianki jest stała, Tw= const,
-własności fizyczne filmu są stałe i niezależne od temperatury,
-wpływ napięcia powierzchniowego jest zaniedbywalny,
-konwekcyjne przenoszenie ciepła oraz przewodnictwo cieplne w kierunku wzdłużnym są zaniedbywalne.

1. Sposoby intensyfikacji wymiany ciepła podczas kondensacji na rurach poziomych.

- zwiększenie prędkości przepływu

- zmniejszenie średnicy rury

- wprowadzenie zaburzeń w przepływie ( stosowanie nieregularnych powierzchni kanału; wprowadzanie elementów oporowych, np. zawory, kryzy itd. )

1. Kondensacja w przepływie w kanałach poziomych – przejście przez kolejne struktury. Wpływ powietrza na kondensację pary wodnej.

Para czynnika wpływa w stanie przegrzanym do chłodzonego kanału i w trakcie zmiany na ciecz pierścieniowa przez szereg strug. Na początku przepływ formuje się w przepływ pierścieniowy, w którym przegrzana para płynie w rdzeniu, a ciecz po ściankach. W tym obszarze występuje duża nierównowaga termodynamiczna na skutek współistnienia pary przegrzanej oraz przechłodzonej cieczy. Obszar ten czasami nazywamy obszarem niestabilnej pary przegrzanej. Dalsze doprowadzanie ciepła prowadzi do powstania struktury korkowej, pierścieniowej i w końcu cieczy przechłodzonej.