freakpp051

100

Wyznaczanie współczynnika przejmowania ciepła techniką sublimacji opiera się na zastosowaniu analogii wymiany ciepła i masy opisanej w podrozdz. 5.3. Technika ta zastępuje bowiem zjawisko wymiany ciepła analogicznym zjawiskiem wymiany masy. Powierzchnie wymieniające ciepło są zastępowane ich modelem wykonanym z sublimującego materiału, a płyn wymieniający ciepło - powietrzem. W trakcie eksperymentu, odbywającego się w warunkach przepływowych analogicznych do rzeczywistych, materiał ścianek modelu sublimuje do przepływającego powietrza. Następuje to w sposób podobny do sposobu, w jaki następowałaby wymiana ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego i płynem. Są to zatem badania modelowe, w których dodatkowo, do modelowania jest wykorzystane zjawisko fizyczne odmienne od modelowanego. Wyniki badań modelowych można przenieść na zjawisko modelowane po spełnieniu wymagań, o których mowa w podrozdz. 5.2.

Pomiar składa się z następujących etapów:

1.    przygotowanie modelu powierzchni, wymieniającej ciepło, z materiału sublimującego;

2.    wyznaczenie ilości materiału sublimującego, znajdującego się na modelu;

3.    wyeksponowanie powierzchni modelu, przez określony czas, w warunkach zaaewniających analogię zjawisk przepływowych i termicznych oraz poprawność działania techniki;

4.    ponowne wyznaczenie ilości sublimującego materiału na modelu.

Taka metodyka zapewnia pośredni pomiar strumienia sublimującego materiału (będącego analogiem strumienia ciepła) oraz stężenia par sublimującego materiału (będącego analogiem temperatury), zapewniając dane konieczne do określenia współczynnika wymiany masy.

Następnie, poprzez zastosowanie analogii, wyniki eksperymentu wymiany masy sa. przeliczane na dane, które można by uzyskać w analogicznych badaniach techniką cieplną. Wady i zalety takiego sposobu określania wartości współczynnika przejmowania ciepła zostały opisane w podrozdz. 5.1. W realizacji badań jakościowych, w których interesuje nas rozkład współczynnika wymiany ciepła, nie zachodzi konieczność stosowania analogii do analizy wyników badań. W związku z tym unika się wszelkich wątpliwości związanych ze stosowaniem analogii wymiany ciepła i masy.

Jako materiał sublimujący były wykorzystywane różne substancje sublimu-jące, np. suchy lód (zestalone C0₂) lub paradichlorobenzen (p-C₆H₄CI₂), aktualnie jednakże jest stosowany w zasadzie tylko naftalen (C₁₀H₈). Wynika to przede wszystkim z tego, że pozwala on na przeprowadzanie badań w temperaturze pokojowej, jest substancją o małej toksyczności, poddaje się obróbce mechanicznej, łatwo się odlewa, ma dogodną wartość liczby Schmidta i jest materiałem stosunkowo łatwo dostępnym.

6.1.1. Warunki stosowalności techniki sublimacji naftalenu

Jednym z warunków poprawności badań modelowych jest podobieństwo warunków brzegowych, czyli zachowanie w odpowiednich miejscach modelu warunków brzegowych takiego samego rodzaju jak w modelowanym zjawisku. Technika sublimacji pozwala na zamodelowanie dwóch rodzajów warunków brzegowych: powierzchni izotermicznej i powierzchni adiabatycznej.

Powierzchnię izotermiczną uzyskuje się na powierzchni naftalenu. Wynika to z tego, że stężenie par naftalenu (będące analogiem temperatury płynu) przy jego powierzchni jest, w warunkach pomiaru, tylko funkcją temperatury naftalenu. W związku z tym zamodelowanie powierzchni nieizotermicznej wymagałoby sterowania temperaturą powierzchni naftalenu i jej pomiaru, co przeczyłoby idei stosowania tej techniki. Zamodelowanie powierzchni izotermicznej wymaga natomiast zapewnienia stałej temperatury powierzchni naftalenu, co można w miarę dokładnie i prosto zrealizować. Na skutek jednakże występowania ciepła sublimacji (patrz par. 6.2.4) warunek izotermiczności nie jest nigdy dokładnie spełniony.

Powierzchnię adiabatyczną uzyskuje się na wszystkich powierzchniach nie pokrytych naftalenem. Nie uczestniczą one bowiem w procesie wymiany masy.

W trakcie ekspozycji modelu naftalenowego wskutek sublimacji przy powierzchni naftalenu powstaje strumień masy, przemieszczający się zgodnie z rozkładem stężeń naftalenu w powietrzu. Mogłoby to, teoretycznie, spowodować zniekształcenie pól prędkości i utratę podobieństwa zjawisk. Jak wykazały badania [3], efekt ten może być całkowicie pominięty.

Techniki określające współczynnik wymiany ciepła metodami wykorzystującymi analogię wymiany ciepła i masy mają, w stosunku do bezpośrednich pomiarów termicznych, wiele zalet. Niewątpliwą ich wadą jest jednak konieczność korzystania z analogii w przeliczaniu wyników pomiarów w celu uzyskania jego wartości. Wymaga to znajomości wartości wykładnika występującego w równaniach kryterialnych, użytych do definicji analogii (równania (5.8)-(5.10)), przy liczbie Prandtla i Schmidta. Wyniki badań doświadczalnych i rozważań teoretycznych wskazują, że jest on, w pewnym stopniu, zależny od hydraulicznych i termicznych warunków przepływu (podrozdz. 5.3, [4]). Do rozwiniętych przepływów turbulentnych większość badaczy zaleca stosowanie wartości z zakresu od 0,6 do 0,7 [5, 6, 7].

Najlepiej byłoby zatem, gdyby liczba Prandtla z zagadnienia modelowanego i liczba Schmidta z modelu były sobie równe. Wówczas znajomość wartości wykładnika nie jest konieczna do stosowania analogii w przeliczaniu wyników z wymiany masy na wymianę ciepła. Generalnie natomiast, im mniejsza jest różnica pomiędzy wartościami obu liczb kryterialnych, tym mniejszy potencjalny błąd możemy popełnić w stosowaniu analogii.

Wartość liczby Schmidta dla układu powietrze-naftalen w temperaturze 20°C wynosi 2,28 [8]. Tyle samo wynosi liczba Prandtla dla wody w 80°C,