Cwicz  1

Ćwiczenie 12

WRZENIE CIECZY

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie wartości współczynnika wnikania ciepła a oraz gęstości strumienia cieplnego q od różnicy temperatur ściany T_w i wrzącej cieczy T,,

1. Wprowadzenie

Procesy wrzenia mają duże znaczenie w energetyce cieplnej, energetyce atomowej, technologii chemicznej i w wielu innych dziedzinach współczesnej techniki. Mechanizm procesu wrzenia cieczy jest niezmiernie złożony. Na procesy cząstkowe tego zagadnienia składają się: mechanizm tworzenia pęcherzyka pary, ustalenie warunków określających miejsca czynne powierzchni grzejnej, tzn. miejsca w których tworzą się pęcherzyki pary, wpływ napięcia powierzchniowego cieczy na proces wrzenia, wpływ cyrkulacji wrzącej cieczy na wnikanie ciepła od ścianki grzejnej i wiele innych.

Proces wrzenia polega na szybkiej zamianie cieczy w parę unosząc się do powierzchni zwierciadła cieczy w postaci pęcherzyków. Pęcherzyki mogą się tworzyć w całej objętości cieczy gdy jest ona przegrzana lub na powierzchni ściany grzejnej, gdy ciecz posiada temperaturę równą temperaturze wrzenia, a przegrzana jest tylko warstwa graniczna o niewielkiej grubości.

Dla powstania procesu wrzenia konieczne są dwa warunki:

a)    wystąpienie przegrzanej cieczy (w stosunku do temperatury nasycenia pary),

b)    obecność ośrodków tworzenia pęcherzyków pary.

Pęcherzyk pary powstaje na ściance grzejnej, jeśli kontaktująca się z nią ciecz ogrzeje się tak bardzo, że częściowo odparuje tworzącą parę nasyconą. Temperatura powstałej pary musi być tak wysoka, by odpowiadające jej ciśnienie mogło zrównoważyć ciśnienie hydrostatyczne cieczy i ciśnienie spowodowane przez siły napięcia powierzchniowego. Dla pęcherzyka o promieniu r i przy napięciu powierzchniowym cieczy o zależność tę opisuje następujące równanie

P, (itr')= 2 iwo+P„(*r^J)    (12.1)

P,-P.=—    (12.2)

gdzie: P_g - prężność pary nasyconej we wnętrzu pęcherzyka, P_c - ciśnienie hydrostatyczne cieczy.

Z równania (12.2) wynika, że pęcherzyk może utworzyć się tylko na powierzchni posiadającej pewne krzywizny, nawet niewidoczne gołym okiem. Promień takiej krzywizny staje się promieniem pęcherzyka w chwili jego powstania.

Aby powstały pęcherzyk mógł się oderwać od ścianki grzejnej musi osiągnąć objętość pozwalającą sile wyporu pokonać parcie cieczy i siły napięcia powierzchniowego. Powiększenie objętości pęcherzyka może się odbywać dzięki ekspansji pary ciągle ogrzewanej przez ściankę oraz dzięki parowaniu cieczy otaczającej pęcherzyk (do jego wnętrza). Przewodność cieplna pary jest jednak nieznaczna w porównaniu z przewodnością cieczy i ciepło od ścianki przepływa głównie do cieczy otaczającej pęcherzyk. Ogrzewana w ten sposób ciecz zwiększa szybko swoją temperaturę do wartości wyższej od temperatury pary tworzącej pęcherzyk i częściowo odparowuje do jego wnętrza powodując wzrost ciśnienia P_g (równanie 12.2). Ponieważ P_B i o są stałe musi wzrosnąć promień r, a więc i objętość pęcherzyka. Proces trwa nieprzerwanie aż do oderwania się pęcherzyków od ścianki. Szybkość wymiany ciepła w procesie wrzenia, określana przez strumień cieplny q i współczynnik wnikania ciepła a, zależy od ilości ciepła doprowadzonego do ścianki grzejnej, własności fizykochemicznych cieczy i pary oraz rodzaju powierzchni wymiany ciepła. W rozważaniach cieplnych zarówno strumień cieplny jak i współczynnik wnikania ciepła danej cieczy przyjęto uzależniać od różnicy temperatur ściany (T_w) i temperatury cieczy (T_s):

q = <P(AT) (12.3)