POLITECHNIKA ŁÓDZKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ I OCHRONY ŚRODOWISKA

Laboratorium Procesów Podstawowych

Ćwiczenie nr 12

Temat: Wrzenie cieczy

Imię i nazwisko: Karolina Michułka

Marta Kucharska

Izabela Ejza

Kseniya Kazakova

Wydział, kierunek: IPOŚ, Inżynieria Środowiska

Termin zajęć, grupa: środa 12.15-15.00, grupa 2

Wprowadzenie

Głównym celem ćwiczenie jest wyznaczenie zależności współczynnika wnikania ciepła α i strumienia ciepła q od różnicy temperatur.

Zjawisko wrzenie ma duże znaczenie w przemyśle, np. jest stosowany w wyparkach. Wyparki wykorzystują wrzenie do zatężania roztworów. W środowisku naturalnym występuje w gejzerach.

Jednak proces wrzenia zajdzie gdy:

1. Prężność pary nasyconej musi przekroczyć wartość ciśnienia zewnętrznego

2. Gdy zachodzi wrzenie objętościowe, wrzenie zachodzi w całej objętości cieczy

3. Gdy zachodzi wrzenie przy ściance grzejnej musza istnieć ośrodki tworzenia pary. Aby pęcherzyk pary mógł powstać w cieczy muszą istnieć nierówności na powierzchni grzejnej lub zanieczyszczenia w cieczy itp.

Aby pęcherzyk pary mógł oderwać się od powierzchni grzejnej musi pokonać ciśnienie hydrostatyczne i ciśnienie spowodowane siłami napięcia powierzchniowego. Pęcherzyk oderwie się zwiększając swoja objętość poprzez doprowadzeniu ciepła do ścianki grzejnej. Co doprowadzi do parowania cieczy otaczającej pęcherzyk, zwiększona temperatura cieczy podwyższa temperaturę pary co prowadzi do zwiększenia ciśnienia wewnątrz pęcherzyka. Szybkość wymiany ciepła w procesie wrzenia określa się przez strumień cieplny q i współczynnik wnikania α.

Zależność współczynnika wnikania ciepła α i strumienia cieplnego q od przegrzania cieczy: 1 – obszar konwekcyjnego ruchu ciepła, 2 – obszar wrzenia pęcherzykowego, 3 – obszar wrzenia błonkowego, 4 - obszar ruchu ciepła na drodze promieniowania i przewodzenia*

Źródło: Instrukcja do ćw. 12

Odcinek pierwszy przedstawia wymianę ciepła na drodze konwekcji swobodnej. W tym zakresie wartość współczynnika wnikania ciepła należy obliczyć z ogólnej korelacji:

Nu = C(Gr * Pr)ⁿ

Liczba Grashofa wyraża stosunek sił wyporu do sił lepkości danego płynu.

$$Gr = \frac{\beta*T*h^{3}*\rho^{2}*g}{\eta^{2}}$$

β – współczynnik rozszerzalności objętościowej [$\frac{1}{K}\rbrack$

h – wymiar charakterystyczny [m]

ρ – gęstość [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}\rbrack$

g – przyśpieszenie ziemskie [$\frac{m}{s^{2}}\rbrack$

η – lepkość dynamiczna [Pa*s]

Liczba Prandtla w równaniu zawiera jedynie właściwości fizykochemiczne.

$$Pr = \frac{c*\eta}{\lambda}$$

c – ciepło właściwe [$\frac{J}{kg*K}\rbrack$

λ – współczynnik przewodzenia ciepła [$\frac{W}{m*K}\rbrack$

Liczba Nusselta jest zdefiniowana równaniem:

$$Nu = \frac{\alpha*h}{\lambda}$$

W odcinku 2 został przedstawiony przypadek, gdy wymiana masy odbywa się na drodze wrzenia pęcherzykowego. Gwałtowny wzrost ilości ciepła doprowadzany do ścianki grzejnej poprzez jej podgrzanie skutkuje wzrostem ilości ośrodków tworzenia się pęcherzyków. Pęcherzyki odrywają się w tych samych miejscach i z tą samą częstotliwością.

Odcinek 3 przedstawia sytuacje, gdy wymiana ciepła zachodzi na drodze wrzenia błonkowego. W tym przypadku wartość współczynnika wnikania ciepła oraz ilość ciepła spada, ponieważ duże pęcherze zmniejszają kontakt cieczy z ścianką grzejną.

Odcinek 4 reprezentuje wymianę ciepła na drodze przewodzenia i promieniowania. W tym przypadku wrzenie odbywa się tylko na granicy para-ciecz. Współczynnik wnikania ciepła rośnie nieznacznie wraz przy rosnącej sile napędowej.

Ciąg obliczeniowy

Różnica temperatury ściany T_W i temperatury cieczy T_S

T_W = 115, 6

T_S = T₄ = 102, 5

T = T_W − T₄ = 115, 6 − 102, 5 = 13, 1

Natężenie przepływu kondensatu dla pomiaru zerowego

V = 10 * 10⁻⁶m³

t_sr = 63s

$$Q_{V0} = \frac{V}{t_{sr}} = \frac{10*10^{- 6}}{63} = 1,587*10^{- 7}\frac{m^{3}}{s}$$

Gęstość strumienia ciepła dla pomiaru zerowego

$r = 2231700\frac{J}{\text{kg}}$ – wartość stabelaryzowana dla ciśnienia 994 hPa

$\rho = 997,07\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$- wartość dla temperatury kondensatu w temperaturze 25

A = 0, 02m²

$$q_{0} = \frac{Q_{V0}*\rho*r}{A} = \frac{1,587*10^{- 7}*997,07*2231700}{0,02} = 17897,41\ \frac{W}{m^{2}}$$

Natężenie przepływu kondensatu dla pomiaru z włączona grzałką pomiarową

V = 10 * 10⁻⁶m³

t_sr = s

$$Q_{V1} = \frac{V}{t_{sr}} = \frac{10*10^{- 6}}{12} = 8,333*10^{- 7}\frac{m^{3}}{s}$$

Gęstość strumienia ciepła dla pomiaru z włączona grzałką pomiarową

$r = 2231700\frac{J}{\text{kg}}$

$\rho = 995,67\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$- wartość dla temperatury kondensatu w temperaturze 30,4

A = 0, 02m²

$$q_{i1} = \frac{Q_{V0}*\rho*r}{A} = \frac{8,333*10^{- 7}*995,67*2231700}{0,02} = 93829,45\ \frac{W}{m^{2}}$$

Gęstość strumienia ciepła

$$q = q_{i} - q_{0} = 93829,45 - 17897,41 = 75932,05\ \frac{W}{m^{2}}$$

Współczynnik wnikania ciepła

T = 13, 1K

$$q = 75932,05\frac{W}{m^{2}}$$

$$\alpha = \frac{75932,05}{13,1} = 5796,34\ \frac{W}{m^{2}*K}$$

Sprawność urządzenia grzejnego

N = 4400 W,  przy N = 45% moc wynosi:

N = 0, 45 * 4400 = 1980 W

$$\eta_{G} = \frac{q*A}{N} = \frac{106872*0,02}{1980} = 1,07$$

Zestawienia wyników

Lp.	N	T1	T2	TW	T4	T5	ρ	ΔT	V*10^6	tśr
[-]	[W]	[˚C]	[˚C]	[˚C]	[˚C]	[˚C]	[kg/m^3]	[˚C,K]	[m^3]	[s]
0	-	-	-	-	-	25	997,07	-	10	63
1	1100	117,5	113,7	115,6	102,5	30,4	995,67	13,1	10	12
2	1980	119,8	118,4	119,1	102,4	38,4	992,99	16,7	20	18
3	2860	120,6	120,8	120,7	102,3	47,8	988,96	18,4	30	18
4	3740	121,7	121,5	121,6	102,2	60	983,24	19,4	40	20
5	1540	117,9	116,7	117,3	102,3	35,6	993,71	15	10	12
Lp.	q0	qi	q	α	ηg
[-]	[W/m^2]	[W/m^2]	[W/m^2]	[W/(m^2*K]	[-]
0	17897,41	-	-	-	-
1	-	93829,45	75932	5796,3	1,38
2	-	124769	106872	6399,5	1,07
3	-	186394	168472	9157	1,18
4	-	222379	204482	10540	1,09
5	-	93645	75747	5050	0,98

Wykresy

q = b₁ * T^n₁

b₁ = 62, 375

n₁ = 2, 9643

α = b₂ * T^n₂

b₂ = 62, 375

n₂ = 1, 6943

Wnioski

1. Gęstość strumienia ciepła wzrasta wraz z wzrostem mocy. Identyczna sytuacja następuje z współczynnikiem wnikania ciepła α, ponieważ dostarczanie mocy przyśpiesza szybkość wymiany ciepła.

2. Średni czas napełniania danej objętości w latarce pomiarowej znacznie zmniejsza się. Główną przyczyną jest zwiększona intensywność wrzenia spowodowana również większą różnicą temperatur.

3. Temperatura cieczy podczas wrzenia nieznacznie spada co jest spowodowane parowaniem wody.

4. Duża rozbieżność wyników jest spowodowana stanem nieustalonym procesu wrzenia.

‘