17. Wnikanie ciepła w przepływach wymuszonych i niewymuszonych

Wnikanie ciepła - rzeczywisty proces ruchu ciepła od ściany do płynu w przepływie (lub odwrotnie). Strumień ciepła wnikającego może być obliczony ze wzoru Fouriera [Q=(λ_sr/l)(t₁-t₂)A gdzie l=l₁-l₂] jednak grubość podwarstwy laminarnej w płynie, w której następuje największy spadek temperatury (przewodzenie) nie jest znana. Oznaczając, ze λ_c/l=α gdzie λ_c - przewodność cieplna właściwa cieczy[W/(mK); l - grubość podwarstwy laminarnej[m]; α - współczynnik wnikania ciepła[W/(m²K); otrzymuje się empiryczny wzór Newtona

Q= αA(t₂-t₃). Współczynnik wnikania (przejmowania) ciepła określa, ile ciepła wnika w jednostce czasu od płynu do jednostki powierzchni (lub odwrotnie) przy różnicy temperatur o wartości 1 K miedzy płynem a ścianą.

Przepływy wymuszone czyli spowodowane np. jakims urzadzeniem (pompa, sprezarka) , a niewymuszone czyli występujące samoistnie np. splyw cieczy po powierzchni.

Wnikanie ciepla przy przepływie wymuszonym w plynach newtonowskich:

- przeplyw wymuszony burzliwy - w procesach wnikania ciepla za ruch w pelni burzliwy w prostoosiowym przewodzie rurowym przyjmuje się taki ruch plynu newtonowskiego, przy którym liczba Reynoldsa jest wieksza od 10000; przy takim ruchu obserwuje się wyrazna zmiane temp. w podwarstwie laminarnej, podczas gdy temp. w większej czesci przekroju poprzecznego (w rdzeniu plynu) jest praktycznie stala Nu=f(Re, Pr, L/d) Nu=C*Re^a*Pr^b*(L/d)^c

- przeplyw wymuszony laminarny (Re<2100) - jeżeli temp. sciany jest wyzsza od temp. czynnika (ogrzewanie) to warstwa przyscienna plynu będzie miala inna lepkość niż warstwy bliżej osi; w przypadku cieczy, których lepkość z temperatura maleje, prędkość przepływu będzie wyzsza, w przypadku gazow nizsza; spowoduje to, ze rozklad prędkości dla cieczy przy ogrzewaniu spłaszczy się, przy chlodzeniu wydłuży, ponieważ prędkości przy scianie w jednym przypadku wzrosna, w drugim zmaleja; równocześnie na drodze przepływu zmieniaja się temperatury czynnika; wszystko to spowoduje zaburzenia, wywołujące ruch czynnika prostopadly do sciany, a wiec wystapienie pradow konwekcyjnych; dochodza do tego roznice gęstości spowodowane roznica tepmpeatury, które wywołują nieznaczna konwekcje naturalna Nu=f(Re, Pr, L/d) Nu=C*(RePr(L/d))ⁿ

- przeplyw wymuszony przejściowy (2100<Re<10000) - w strefie przepływu przejściowego, wnikanie ciepla zalezy od wielu czynnikow i nie ma właściwych wzorow do określania liczby Nu, dlatego najczęściej korzysta się z odpowiednich wykresow np. na wykresie logNu=f(logRe) laczy się prosta dwa punkty odpowiadające liczbie Nusselta dla Re=2100 i Re=10000, nastepnie z tej prostej odczytuje się dla zadanej liczby Reynoldsa odpowiadającą jej liczbe Nusselta, a wartość współczynnika wnikania ciepla wynosi α=(λNu)/d.

Wnikanie ciepla przy przepływie wymuszonym cieczy nienewtonowskich (malo poznane):

- przeplyw wymuszony burzliwy - biorac za podstawe wyniki analizy wymiarowej wnikania ciepla w przepływie burzliwym cieczy newtonowskiej, dla cieczy nienewtonowskiej w liczbach Re i Pr stosuje się uogolniona lepkość cieczy nienewtonowskiej Nu=0,023Re^0,8Pr_n^0,4(γ/γ_s)^0,14 (wartość γ jest obliczana dla temp. głównej masy cieczy, a γ_s dla temp. scianki)

- przepływ wymuszony laminarny - nie jest wiadome w jakiej odległości od wlotu rury nastepuje całkowite wykształcenie profilu prędkości i profilu temp; również wpływ gradientow temp. na zniekształcenie profilu prędkości nie jest dostatecznie poznany; w związku z tym analiza wnikania ciepla do cieczy nienewtonowskiej jest prowadzonego dla ustalonego, rozwiniętego przepływu laminarnego, często z zalozeniem, ze przy zmianie temp. właściwości materiału są stale np. dla cieczy Binghama Nu=(2/π)Gz(1-4n/1+4n) gdzie Gz - liczba Graetza, n - współczynnik zależny od liczny Graetza.

Wnikanie ciepla przy niewymuszonym przepływie cieczy:

- przy grawitacyjnym burzliwym i uwarstwionym splywie - np. pasteryzacja natryskowa opakowan, skraplanie czynnikow chłodniczych; gdy zraszana plaszczyzna jest ustawiona pionowo, wówczas najczęściej wystepuje przeplyw burzliwy cieczy Nu=CRe_z^aPr^b, natomiast przy ustawieniu poziomym - przeplyw uwarstwiony

- do opadającej kropli - w suszarkach rozpylowych; rozpylony do postaci mgly plynny produkt spożywczy ulega w komorze suszarki wymieszaniu z gazem suszącym; w rezultacie tego kontaktu w układzie rozpylona ciecz - gaz zachodzi nie tylko wnikanie ciepla ale i wnikanie masy; oba te procesy są uzależnione od wielu parametrow, m.in. prędkości kierunek przepływu czastek rozpylonej cieczy i goracego gazu, jego właściwości fizykochemiczne oraz srednica czastek; przy zalozeniu, ze ruch kuli względem gazu przyczynia się do lepszej wymiany ciepla, opracowano równanie umozliwiajace obliczenie wspolczynnik wnikania ciepla do kul opadających w gazie poruszającym się z okreslona prędkością Nu=2+0,55Re^0,5Pr^0,33

- przy konwekcji naturalnej - konwekcja naturalna wystepuje wszedzie tam, gdzie gęstość plynu zmienia się wraz z położeniem; roznice gęstości wywołują roznice temperatury, przy czym czesc plynu o mniejszej gęstości unosi się ku gorze (zbiorniki do ogrzewania umieszcza się nisko aby ogrzane powietrze o mniejszej gęstości płynęło do gory i wypełniało równomiernie cala przestrzen), natomiast czesc strumienia o większej gęstości opada ku dolowi (przy chlodzeniu komor rury z solanka albo parowniki są umieszczone u gory) Nu=A(GrPr)^b

- w czasie wrzenia cieczy

- przy kondensacji (skraplaniu).

18. Wnikanie ciepła podczas wrzenia i kondensacji par

Wrzenie cieczy wystepuje w takich aparatach jak wyparki, parowniki, w urządzeniach chłodniczych, w kolumnach destylacyjnych, kotlach parowych i innych. Jest to proces zmiany stanu cieklego w stan gazowy w stalej temp. i przy preznosci pary rownej cisnieniu calkowitemu wystepujacemu w ukladzie. W celu dostarczenia energii potrzebnej do przemiany fazowej musza być dostarczone znaczne ilosci ciepla do cieczy. Wnikanie ciepla przy wrzeniu cieczy jest procesem bardzo skomplikowanym. Oprocz konwekcji, duzy wplyw na transport ciepla w ukladzie maja zjawiska zachodzace zarówno na samej powierzchni wymiany ciepla, jak i na granicy podzialu faz. Z tego względu do chwili obecnej nie opracowano ogolnej, zadowalajacej teorii wymiany ciepla podczas wrzenia, zgodnie z która byloby możliwe ujecie wspolczynnika wnikania ciepla w jedna i dostatecznie pewna, a jednoczesnie dogodna do obliczen funkcje.

Przedstawiajac zaleznosc wspolczynnika wnikania ciepla od roznicy temperatury w ukladzie dwulogarytmicznym, otzrymuje się wykres, na którym trzy mechanizmy wrzenia są wyraznie zaznaczone. Minima i maksima oddzielajace poszczegolne rodzaje wrzenia nosza nazwe punktow krytycznych i mogą być wyrazone za pomoca roznicy temperatury bądź gestosci strumienia cieplnego. Przy pierwszym punkcie krytycznym wrzenie pecherzykowe (na powierzchni grzejnej powstaja pecherzyki pary, które zaklocajac ciaglosc podwarstwy laminarnej, znacznie intensyfikuja proces wymiany ciapla) przechodzi we wrzenie przejsciowe, a przy drugim punkcie krytycznym wrzenie przejsciowe zanika i w ukladzie wystepuje tylko wrzenie blonkowe (w miare zwiekszania się liczby miejsc aktywnych jest osiagany stan, w którym powstajace pecherzyki są tak blisko siebie, ze przed oderwaniem od powierzchni zlewaja się w wieksze nieregularne pecherze; w miare wzrostu temp. cala powierzchnia pokrywa się trwala blonką pary).

Skraplanie pary wystepuje miedzy innymi w wymiennikach ciepla ogrzewanych para wodna, deflegmatorach kolumn destylacyjnych, skraplaczach wyparek i innych. Skraplanie jest procesem odwrotnym do wrzenia, wystepuje podczas zetkniecia pary nasyconej z powierzchnia o temp. nizszej niż temp. pary nasyconej. Mechanizm konwekcji: wystepuje tu przemieszczanie czastek i wytwarza się ich jednokierunkowy ruch ku scianie spowodowany skropleniem pary, a wiec olbrzymim zmniejszeniem objetosci. Skroplona czesc czynnika pozostaje na scianie, a na jej miejsce doplywaja nowe partie pary.

Para kondensuje w dwojaki sposób:

- w przypadku, gdy skroplona para wodna zwilza sciane i wytwarza się splywajaca po niej warstewka skroplin, wystepuje wówczas tzw. kondensacja warstewkowa, zwana także blonkowa lub filmowa

- gdy skropliny nie zwilzaja sciany, a tworza na niej male kropelki, które szybko po niej splywaja, wystepuje wówczas tzw. kondensacja kropelkowa (perelkowa); przy tej kondesacji miedzy poszczegolnymi kropelkami istnieje zawsze wolna powierzchnia umozliwiajaca skraplanie się dalszych ilosci pary.

Wspolczynnik wnikania ciepla przy kondensacji warstewkowej pary wyznaczono, gdy porownano strumien ciepla przewodzonego przez warstwe (blonke) skroplin ze strumieniem ciepla wnoszonym przez kondensujaca pare.

Roznice wartosci wspolczynnikow wnikania ciepla podczas skraplania pary dla scian pionowych i poziomych wynikaja z roznej grubosci warstwy skroplin. Im grubsza warstwa skroplin, tym opor wnikania ciepla jest wiekszy (wspolczynnik wnikania ciepla jest mniejszy). Ma to bardzo duze znaczenie przy budowie i projektowaniu wymiennikow ciepla.

---