ANALIZA STRUKTUR PRZEPŁYWU DWUFAZOWEGO GAZ-CIECZ W KANALE O PRZEKROJU KOŁOWYM

Transkrypt

1 ANALIZA STRUKTUR PRZEPŁYWU DWUFAZOWEGO GAZ-CIECZ W KANALE O PRZEKROJU KOŁOWYM Sebastian STEFAŃSKI * Streszczenie: W artykule opisano zjawisko przepływu dwufazowego gaz-ciecz, struktury towarzyszące temu procesowi, a także wyniki przeprowadzonego eksperymentu. Opisano stanowisko badawcze, które służyło do wizualizacji struktur przepływu dwufazowego, a także metodykę prowadzenia badań. Przeprowadzono interpretację otrzymanych wyników w odniesieniu do wyników badań będących tematem publikacji innych jednostek naukowych. Słowa kluczowe: przepływ dwufazowy, struktury przepływu dwufazowego, przepływ dwufazowy gaz-ciecz, symulacja procesu wrzenia. 1. WSTĘP Przepływy wielofazowe są spotykane w wielu gałęziach przemysłu, gdzie do poprawnej pracy maszyn i urządzeń niezbędny jest określony przepływ mieszaniny. W urządzeniach energetycznych szczególnie istotną rolę pełnią przepływy dwufazowe gaz-ciecz. Powszechne zastosowanie zagadnień dotyczących przepływów dwufazowych w przemyśle skłania do zapoznania się z zachodzącymi zjawiskami, aby stały się one efektywniejsze i bardziej wydajne. Występują one w wymiennikach ciepła, w pęczkach rur w kotłach energetycznych gdzie generowana jest para, parownikach urządzeń chłodniczych oraz wszelkiego rodzaju rurociągach łączących elementy instalacji. Charakter struktur przepływu ma wpływ na opis procesów wymiany ciepła, pędu i masy, dlatego też tak ważne jest ich prawidłowe zbadanie. Wytworzenie odpowiedniej struktury przepływu jest niezbędne do prawidłowej pracy urządzeń. Na występowanie odpowiedniej struktury przepływu wpływ mają: położenie i średnica rur, stopień zapełnienia kanału cieczą, prędkość cieczy i gazu oraz strumień dostarczanego ciepła [1]. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE Struktury przepływu różnią się od siebie w zależności od położenia rury oraz od kierunku przepływu medium (góra, dół). W kanałach pionowych przy przepływie ku górze, można wyróżnić następujące rodzaje struktur, przedstawione na rys. 1. Rys. 1. Struktury przepływu dwufazowego gaz-ciecz dla kanału pionowego (przepływ ku górze) [2]. Struktury przedstawione na rys. 1 opisywane są w następujący sposób: przepływ pęcherzykowy (B) faza gazowa przepływa w postaci rozproszonych pęcherzyków w ciągłym ośrodku fazy ciekłej, ze zbliżonymi do siebie prędkościami; przepływ korkowy (P) jest to przepływ, w którym występują formy gazowe w postaci dużych pęcherzyków wypełniających prawie cały przekrój kanału; * AGH University of Science and Technology Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Maszyn Cieplnych i Przepływowych stefanski@agh.edu.pl

2 przepływ pianowy (F) pojawia się przy wysokich strumieniach gazu (zwiększona zawartość gazu w porcjach cieczy, zaburza ciągłość fazy ciekłej i fazy przemieszczają się chaotycznie); przepływ pierścieniowy (A) ciecz płynie cienką warstwą po wewnętrznej powierzchni rury, a gaz ze znaczną prędkością jej środkiem (gdy zwiększana jest prędkość gazu, przy jednoczesnym obniżeniu prędkości cieczy, znikają fale na powierzchni rozdziału faz); przepływ dyspersyjny (D) przy dużym strumieniu gazu występuje porywanie kropel cieczy z wierzchołków fal przepływu pierścieniowego [2]. Gdy przepływ odbywa się w rurze pionowej w dół, występują inne struktury przepływu. Brak jest w literaturze zgodnej opinii, co do systematyki tych struktur. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy podział. Rys. 2. Struktury przepływu dwufazowego gaz-ciecz dla kanału pionowego (przepływ ku dołowi) [2]. Struktury przedstawione na rys. 2 opisywane są w następujący sposób: przepływ pęcherzykowy (B); przepływ korkowy (P); przepływ spływającego filmu (FF); przepływ pęcherzykowo-filmowy (BF); przepływ pianowy (F); przepływ pierścieniowy (A) [2]. Ze względu na trudne do zaobserwowania przejścia pomiędzy wymienionymi strukturami, często stosuje się prostszy podział. Obejmuje on struktury: pęcherzykowe (B), przejściowe (do której należą: P,F), pierścieniowe (A, BF, FF). Zupełnie inny charakter struktur można zaobserwować podczas przepływu przez kanały poziome. Zmiana konfiguracji stanowiska skutkuje pojawieniem się struktur zaobserwowanych przez Bakera zgodnie z rys. 3 [2]. Rys. 3. Struktury przepływu dwufazowego gaz-ciecz dla kanału poziomego [2].

3 Struktury przedstawione na rys. 3 opisywane są w następujący sposób: przepływ pęcherzykowy (B) w ciągłej fazie ciekłej płyną pęcherzyki gazu gromadzące się w górnej części kanału; przepływ korkowy (P) w ciągłej fazie ciekłej płyną korki gazu w postaci zaokrąglonych na czole walców, pojawiają się zazwyczaj w górnej części kanału; przepływ uwarstwiony (S) gaz płynie w górnej części kanału, natomiast ciecz w dolnej, powierzchnia rozdziału faz jest gładka; przepływ falowy (W) podczas zwiększania strumieni gazu i cieczy na powierzchni rozdziału faz tworzą się fale, na początku o kształcie sinusoidalnym, a następnie tzw. fale toczące; przepływ rzutowy (F) powierzchnia rozdziału faz jest pofalowana, szczyty fal dotykają górnej ścianki rury; przepływ pierścieniowy (A) ciecz płynie cienką warstwą po ścianie, a gaz środkiem rury, może występować asymetria pomiędzy grubością filmu cieczy na ściance górnej, a dolnej, w dolnej części rury film jest grubszy. Pojawiają się fale na powierzchni rozdziału faz; przepływ dyspersyjny (D) przy wysokich prędkościach gazu, ciecz jest porywana z wierzchołków fal, w skrajnych wypadkach zanika film cieczy na ściankach i cała ciecz płynie w postaci kropel unoszonych przez gaz [2]. Zakresy występowania poszczególnych struktur przepływu dwufazowego są przedstawiane na wykresach zwanych mapami przepływów, w zależności od wybranych parametrów, w formie obszarów rozdzielonych liniami (rys. 4). W literaturze można spotkać wiele map przepływów utworzonych na podstawie różnych układów współrzędnych, różnej geometrii kanałów i kierunku przepływu mieszaniny dwufazowej. Zazwyczaj na osiach rzędnych i odciętych występują wartości prędkości, strumienie masowe faz lub ich właściwości fizyczne takie jak lepkość, gęstość czy napięcie powierzchniowe. Linii rozdzielających obszary przejścia jednej struktury w drugą nie należy traktować jako ścisłej granicy, ponieważ wielokrotnie w tym obszarze tworzą się struktury przejściowe, które łączą ze sobą cechy dwóch rodzajów przepływu. W badaniach symulacyjnych powstającą parę zastępuje się powietrzem. Ma to na celu uproszczenie stanowiska badawczego oraz umożliwia łatwiejszą kontrolę parametrów takich jak stopień wypełnienia kanału cieczą, prędkości płynów oraz pozwala prowadzić obserwacje w kanałach przezroczystych. Doprowadzenie cieczy do wrzenia oraz obserwacja tego zjawiska wymusza stosowanie znacznie droższych materiałów oraz znacząco zwiększa stopień skomplikowania oraz koszt wykonania stanowiska badawczego. Mankamentem tej metodyki jest konieczność traktowania przepływu jako adiabatycznego. Rys. 4. Wykres Weismana. Mapa przepływu w poziomej rurze o średnicy 51mm dla mieszaniny wody i powietrza w zależności prędkości masowej wody od prędkości masowej powietrza [3].

4 3. METODYKA BADAŃ 3.1. STANOWISKO EKSPERYMENTALNE Obserwacje struktur przepływów dwufazowych przeprowadzono z wykorzystanie stanowiska zbudowanego z kilku autonomicznych układów (rys. 5, 6). Bazowym elementem jest układ pompowy zawierający w sobie pompę wirową (10), rurociąg ssawny i tłoczny wyposażone w układ regulacji przepływu (1), czujnik ciśnienia (2), temperatury (3) oraz przepływomierz (4). Parametry charakteryzujące pracę pompy, a także wymiary rurociągów determinowały parametry i konstrukcję kolejnych elementów. Układ pompowy wzbogacony został o jednostkę kontrolno-pomiarową służącą do sterowania parametrami przepływu wody oraz przetwarzającą sygnały czujników pomiarowych na wartości wyświetlane na panelu. Kanał okrągły (7), w którym badano zjawisko przepływu dwufazowego jest rurą akrylową o średnicy wewnętrznej 56 mm i długości 1800 mm. Kanał ten został trwale połączony ze stalowymi gniazdami i przy pomocy połączenia kołnierzowego osadzony na uchwytach z blachy stalowej zespawanych z profilem stalowym typu C. Połączenia kołnierzowe służą jednocześnie do redukcji średnicy rury akrylowej na znormalizowane średnice przewodów hydraulicznych. Gniazdo stalowe znajdujące się na rurociągu tłocznym pompy składa się z dwóch elementów. W pierwszym z nich zostały wydrążone w kierunku promieniowym dwa naprzeciwległe kanały o średnicy 5 mm, którymi do układu doprowadzane jest powietrze (5, 6). Celem projektu było zbudowanie kompaktowego stanowiska pozwalającego na obserwację struktur przepływu w kanale poziomym oraz pionowym z przepływem do góry i w dół. W tym celu profil stalowy wraz z kanałem osadzono przy pomocy połączenia sworzniowego na pionowym stelażu. Rozwiązanie to pozwala na zmianę kąta nachylenia kanału poprzez połączenie śrubowe pełniące rolę sworznia. Woda tłoczona przez pompę (10) przepływa przez zawór regulacji przepływu (1), czujnik ciśnienia (2) i temperatury (3), przepływomierz (4), a następnie przez wąż elastyczny trafia do kanału okrągłego (7). Za kanałem akrylowym, na króciec gniazda stalowego nakręcony jest zawór grzybkowy DN65 (8) służący do regulacji ciśnienia mieszaniny w kanale. Następnie woda kierowana jest wężem elastycznym do zbiornika otwartego (9), w którym realizowany jest rozdział powietrza i wody. Ze zbiornika woda kierowana jest rurociągiem ssawnym do pompy. Powietrze wykorzystywane w badaniach przygotowywane jest przy użyciu sprężarki tłokowej (11), zbiornika (12) i zawór regulacji ciśnienia (13). Powietrze pobierane ze zbiornika wężem elastycznym o średnicy 8mm poprzez manometr (14), zawór regulacji przepływu (15) oraz rotametr (16) trafia do trójnika rozdzielającego strumień powietrza. Rozdział powietrza regulowany jest zaworami kulowymi (17), doprowadzające powietrze do gniazd stalowych przewodami elastycznymi (5). Powietrze doprowadzane do kanału akrylowego jest wprowadzane zgodnie z kierunkiem ruchu wody poprzez dwa dziesięciocentymetrowe węże o średnicy wewnętrznej 6mm każdy (6). Zachodzące w kanale zjawiska rejestrowane były przy pomocy kamery (300 FPS), a następnie poddawane dalszej obróbce komputerowej. Dla poprawienia warunków pracy kamery zastosowano podświetlenie kanału przy użyciu taśmy z diodami LED oraz matowego ekranu umieszczonego za kanałem (rys. 6).

5 Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego. 1 zawór regulacji przepływu wody, 2 czujnik ciśnienia, 3 czujnik temperatury, 4 przepływomierz, 5 wąż elastyczny doprowadzający powietrze, 6 układ wprowadzania powietrza, 7 rura akrylowa, 8 zawór regulacji ciśnienia, 9 zbiornik, 10 pompa obiegowa, 11 sprężarka, 12 zbiornik powietrza, 13 zawór regulacji ciśnienia, 14 manometr, 15 zawór regulacji przepływu, 16 rotametr, 17 zawór odcinający 3.2. Rys. 6. Fotografia stanowiska badawczego. 1 stanowisko akwizycji danych, 2 kanał o przekroju kołowym, 3 układ pompowy, 4 jednostka kontrolno-pomiarowa, 5 kamera. PROCEDURA PRZEPROWADZANIA EKSPERYMENTU W celu łatwiejszej interpretacji wyników i możliwości ich odniesienia do opracowań dostępnych w literaturze zdecydowano prowadzić pomiary przy nadciśnieniu statycznym wody 1 bar. Wartość tą uzyskiwano poprzez regulację nastawy zaworu za kanałem (rys. 5, poz. 8). Z uwagi na wysokie straty ciśnienia w układzie doprowadzania powietrza nadciśnienie na króćcu wylotowym zbiornika (rys. 5, poz. 12) ustawiano na wartość 2 bar przy użyciu zaworu regulacyjnego (rys. 5, poz. 13).

6 Podczas badań obserwowano zachowanie się mieszaniny dwufazowej przy przepływie w kanale poziomym, pionowym do góry oraz pionowym w dół. W każdej z tych konfiguracji stanowiska przeprowadzono serię pomiarów dla różnych wartości przepływu i powietrza. Uwzględniając ograniczenia wynikające z maksymalnych wydajności pompy i sprężarki jako punkty pomiarowe wybrano pięć wartości strumienia objętościowego wody oraz dwa strumienie objętościowe powietrza (tabela 1). Tabela 1. Zestawienie punktów pomiarowych Wydatek objętościowy wody Wydatek objętościowy powietrza Przed rozpoczęciem pomiarów ustawiano stanowisko w danej konfiguracji, odpowietrzano węże doprowadzające wodę i napełniano kanał akrylowy wodą. Przy zamkniętym dopływie powietrza uruchamiano pompę i regulowano wartość wydatku objętościowego wody na zadaną wartość według tabeli 1. Następnie do kanału akrylowego doprowadzano określony strumień objętościowy powietrza o ciśnieniu 2 bar, po czym regulowano ciśnienie w odcinku pomiarowym do wartości 1 bar. Po wprowadzeniu nastaw parametrów każdorazowo czekano na ustabilizowanie się struktury przepływu w kanale, doregulowywano parametry pracy kamery i rejestrowano strukturę przepływu w środkowej części kanału (długość odcinka pomiarowego 0,4m). Przy użyciu kamery rejestrowano sekwencje klatek oraz ostatnią zapisaną klatkę. Pomiary przeprowadzono analogicznie dla wszystkich wartości przepływu podanych w tabeli 1 we wszystkich konfiguracjach stanowiska. Otrzymane w ten sposób wyniki zostały poddane obróbce graficznej, a następnie porównane z opracowaniami dostępnymi w literaturze poświęconej temu zjawisku. 4. REZULTATY BADAŃ Pomiary wykonane według opisanej metodyki pozwoliły na obserwację i akwizycję występującej w danych warunkach struktury przepływu dwufazowego. Badania zostały przeprowadzone w trzech konfiguracjach stanowiska, uzyskiwanych poprzez zmianę kąta ustawienia rury. Dzięki temu możliwe było obserwowanie struktur przy przepływie pionowym w dół, pionowym w górę oraz poziomym. Charakterystyczną cechą przy przepływie pionowym w dół jest zmniejszenie prędkości pęcherzyków powietrza względem prędkości wody. Jest to spowodowane siłą wyporu, działającej na pęcherzyki i skierowanej ku górze układu. W badanym zakresie przepływów zaobserwowano struktury występujące w ich klasyfikacji przedstawionej w punkcie 2 niniejszego artykułu. Widok struktur przepływu dwufazowego przy wybranych wydatkach wody i powietrza przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Struktury przepływu dwufazowego zaobserwowane przy przepływie pionowym w dół: a) struktura pierścieniowa (przy wydatku wody 30 l/min oraz powietrza 10 l/min), b) struktura pęcherzykowa (przy wydatku wody 100 l/min oraz powietrza 10 l/min). Przy przepływie pionowym w górę siła wyporu działa zgodnie z kierunkiem przepływu wody, wobec czego pęcherzyki powietrza są przyspieszane względem wody. Z tego względu poszczególne struktury przepływu dwufazowego występują przy innych wydatkach wody i powietrza, niż

7 w przypadku przepływu pionowego w dół. Przykładowe struktury zaobserwowane przy przepływie pionowym w górę zestawiono na rys. 8. Rys. 8. Struktury przepływu dwufazowego zaobserwowane przy przepływie pionowym w górę: a) struktura korkowa (przy wydatku wody 10 l/min oraz powietrza 10 l/min), b) struktura pęcherzykowa (przy wydatku wody 200 l/min oraz powietrza 10 l/min). Przy przepływie poziomym obserwowane struktury całkowicie różnią się od występujących przy przepływach pionowych. Wynika to faktu, iż siły wyporu i grawitacji działają w tym przypadku nie wzdłuż, lecz prostopadle do osi pomiarowego odcinka rury. Zaobserwowane struktury są zgodne z klasyfikacją teoretyczną dla przepływów poziomych. Wybrane wyniki przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Struktury przepływu dwufazowego zaobserwowane przy przepływie poziomym: a) struktura falowa (przy wydatku wody 30 l/min oraz powietrza 50 l/min), b) struktura rzutowa (przy wydatku wody 100 l/min oraz powietrza 10 l/min). Wyniki wszystkich pomiarów, tj. rodzaj zaobserwowanej struktury dla badanych zakresów przepływów wody i powietrza w trzech konfiguracjach stanowiska, zebrano w tabeli 2. Tabela 2. Wyniki pomiarów struktur przepływu dwufazowego woda-powietrze dla trzech konfiguracji układu Rodzaj przepływu Pionowy w dół Pionowy w górę Poziomy Wydatek objętościowy wody [l/min] Wydatek objętościowy powietrza [l/min] Pierścieniowa Pierścieniowa Korkowa Korkowa Uwarstwiona Uwarstwiona 30 Pierścieniowa Pierścieniowa Pianowa Pianowa Uwarstwiona Falowa 100 Pierścieniowa Przejściowa Pęcherzykowa Pianowa Rzutowa Falowa 200 Pęcherzykowa Pęcherzykowa Pęcherzykowa Pęcherzykowa Rzutowa Rzutowa 400 Pęcherzykowa Pęcherzykowa Pęcherzykowa Pęcherzykowa Pęcherzykowa Pęcherzykowa 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na potrzeby weryfikacji powyższych wyników z istniejącymi mapami struktur, niezbędnie jest obliczenie innych parametrów charakteryzujących przepływ dwufazowy, takich jak prędkość pozorna oraz masowa prędkość pozorna dla obu faz występujących w przepływie. Prędkość pozorna fazy jest to prędkość liniowa fazy obliczona przy założeniu, że dany wydatek objętościowy

8 fazy przepływa przez całą powierzchnię przekroju poprzecznego przewodu. Wielkość ta obliczana jest ze wzoru [4]: (1) gdzie: - prędkość pozorna fazy i - wydatek objętościowy fazy i - powierzchnia przekroju poprzecznego przewodu Analogicznie, pozorna prędkość masowa fazy jest to wydatek masowy fazy odniesiony do całkowitej powierzchni przekroju poprzecznego przewodu i jest obliczana wg wzoru [4]: (2) gdzie: - prędkość pozorna masowa fazy i - wydatek masowy fazy i - gęstość fazy i - powierzchnia przekroju poprzecznego przewodu - prędkość pozorna fazy i Po wykonaniu obliczeń możliwe było naniesienie punktów pomiarowych na dostępne w literaturze mapy struktur przepływów dwufazowych. Ze względu na zbliżone warunki przepływu (temperatura i ciśnienie panujące w układzie, badany zakres przepływów) oraz podobną geometrię kanału (rura o średnicy 51 mm), do analizy wybrano graficzne przedstawienie zależności obserwowanych przez Weismana [3] (dla przepływu poziomego oraz pionowego w górę) oraz Barnea [5] (dla przepływu pionowego w dół). Na rysunkach zestawiono wyniki pomiarów z ww. mapami struktur. Rys. 10. Porównanie wyników pomiarów z mapą struktur przepływu pionowego w dół wg Barnea [5] dla przepływu dwufazowego woda-powietrze, dla rur o średnicy 25 mm i 51mm, przy 0,1 MPa i 25 C.

9 Rys. 11. Porównanie wyników pomiarów z mapą struktur przepływu poziomego wg Weismana [3] dla przepływu dwufazowego woda-powietrze, dla rury o średnicy 51mm, przy 0,1 MPa i 25 C. Rys. 12. Porównanie wyników pomiarów z mapą struktur przepływu pionowego w górę wg Weismana [3] dla przepływu dwufazowego woda-powietrze, dla rury o średnicy 25mm, przy 0,1 MPa i 25 C. 6. ANALIZA POCZĄTKU WRZENIA 6.1. WSTĘP Proces wrzenia Wrzenie jest procesem tworzenia się pary wewnątrz cieczy o temperaturze nasycenia. W warunkach stałego ciśnienia do wytworzenia pary niezbędne jest dostarczenie dużej ilości ciepła, co skutkuje osiągnięciem bardzo dużych gęstości strumienia ciepła i współczynników przejmowania ciepła. Takie warunki przejmowania ciepła sprawiają, że zakres stosowania wrzenia w procesach technologicznych jest bardzo szeroki. Oprócz produkcji pary do celów energetycznych

10 proces wrzenia stosuje się do intensywnego chłodzenia ciał i powierzchni oraz przenoszenia strumieni ciepła o znacznej gęstości, np. w wodnych wrzących reaktorach jądrowych [6]. Wyróżnić można wrzenie w objętości oraz w przepływie. Proces wrzenia może odbywać się przy konwekcji swobodnej w początkowo nieruchomej objętości cieczy oraz przy konwekcji wymuszonej przepływem cieczy przez kanał, którego ścianki stanowią powierzchnie grzejne. Powstające podczas przepływu pęcherzyki pary wraz z wrzącą cieczą tworzą przepływ dwufazowy. Intensywność procesu wrzenia zależy od stopnia przegrzania cieczy, czyli różnicy temperatury powierzchni grzejnej i temperatury nasycenia. Wraz ze wzrostem przegrzania zmienia się gęstość strumienia ciepła (rys. 1) oraz charakter ustroju wrzenia, czyli sposób powstawania pęcherzyków pary [6]. Populacja zarodków i ustroje wrzenia Aby opisać wrzenie pęcherzykowe należy określić warunki i częstotliwość powstawania pęcherzyków, sposób ich wzrostu, warunki oderwania od powierzchni oraz zachowanie pęcherzyka podczas unoszenia. Te cechy oraz ewentualne występowanie koalescencji decydują o kształtowaniu struktur dwufazowych. Rodzaj występującej struktury silnie wpływa na parametry wymiany ciepła i przepływu oraz decyduje o poprawności i efektywności pracy maszyn i urządzeń [7]. Rozważając powierzchnię grzejną A, przy której zachodzi wrzenie, można określić miejsca powstawania pęcherzyków, czyli tzw. zarodki. Obserwowanymi powszechnie zarodkami dla wrzenia powierzchniowego są mikrogeometryczne zaburzenia powierzchni grzejnej oraz m.in. rozpuszczone zanieczyszczenia lub gazy [7, 8]. Podczas ustalonego wrzenia pęcherzykowego w ośrodkach nukleacji (zarodkach) powstają pęcherzyki pary. Liczba tych punktów stanowi populację zarodków aktywnych. Na podstawie dotychczasowych badań stwierdza się, że wzrost przegrzania cieczy powoduje aktywizację kolejnych zarodków. Powierzchnie grzejne nie są idealnie gładkie, przez co są źródłem zarodków. Ich liczbę można oszacować na podstawie chropowatości powierzchni, przy pewnych założeniach zachodzi bowiem proporcjonalność między ilością aktywnych zarodków a ilością niedoskonałości powierzchni [7] SYMULACJA PRZEPŁYWU DWUFAZOWEGO I WRZENIA W KANALE Mechanizmy powstawania pęcherzyków nie są do końca znane z uwagi na trudności w obserwacji zjawiska oraz zależność od dużej liczby parametrów. W procesach technologicznych szczególne znaczenie ma powstawanie pęcherzyków pary w przepływie, a zjawisko to jest jeszcze trudniejsze do zaobserwowania i opisania niż wrzenie w objętości. Na potrzeby eksperymentu stanowisko badawcze zostało zmodyfikowane celem wprowadzenia pęcherzyków powietrza do kanału na całej jego długości. Schemat stanowiska przedstawia rysunek 13.

11 Rys. 13. Schemat stanowiska badawczego. 1, 8, 14 zawory regulacyjne, 2,13 manometry, 3 czujnik temperatury wody, 4 przepływomierz, 5 układ podawania powietrza, 6 kanał przezroczysty, 8 zbiornik wody, 9 pompa, 10 sprężarka, 11 zbiornik powietrza, 12, 16 zawory odcinające, 15 rotametr. Do przezroczystego kanału o długości 180 cm i średnicy 56 mm wprowadzony został układ dostarczania powietrza składający się z rurki ze stali nierdzewnej, dwóch kolan pneumatycznych PUL oraz elastycznego przewodu pneumatycznego o średnicy 6 mm. W przewodzie elastycznym nawiercono otwory o średnicy 1 mm w odstępach 20 mm. Układ został skonfigurowany tak, by powietrze trafiało do układu przeciwprądowo względem przepływu wody w kanale. Taki układ spowodował stopniowe obniżanie ciśnienia powietrza w przewodzie co umożliwiło zmianę intensywności generowania pęcherzyków powietrza. Tą metodą w sposób przybliżony zasymulowano wzrost populacji i wielkości pęcherzyków na skutek rosnącej temperatury cieczy wzdłuż długości kanału METODYKA PRZEPROWADZANIA BADAŃ I OTRZYMANE WYNIKI Obserwacje prowadzono dla przepływu w układzie poziomym. Ciśnienie wody w kanale utrzymywano na poziomie 0,5 bar. Eksperyment przeprowadzono dla dziewięciu kombinacji natężeń przepływu wody i powietrza, zgodnie z danymi w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie natężeń przepływu dla poszczególnych serii pomiarowych. Natężenie przepływu wody, l/min Natężenie przepływu powietrza, l/min Dla każdej serii pomiarowej zarejestrowano 250 klatek z prędkością 168 FPS. Przykładowe zdjęcia przedstawiono na rysunku 14 i 15. Z uwagi na długość kanału oraz proporcje wymiarów zdjęcia podzielono na dwie części zgodnie z opisem na rysunkach. Rys. 14. Fotografia zjawiska przy przepływie wody 50 l/min oraz powietrza 25 l/min.

12 6.4. Rys. 15. Fotografia zjawiska przy przepływie wody 100 l/min oraz powietrza 40 l/min. ANALIZA WYNIKÓW Zarejestrowane wyniki poddano obróbce graficznej i analizie. Dla każdej kombinacji natężeń przepływu oszacowano średnice powstających pęcherzyków w siedmiu punktach kanału oddalonych od siebie o 30 cm. Kamera została ustawiona w sposób pozwalający na rejestrację połowy długości kanału, czyli 90 cm. Na podstawie tej wartości oraz znajomości wymiarów zdjęcia w pikselach, oszacowano szerokość jednego piksela na 0,44 mm. Następnie dla każdej konfiguracji przepływów wybrano jedno zdjęcie i zmierzono średnice powstających pęcherzyków (w pikselach). Po przeliczeniu wartości na milimetry, wyniki zamieszczono w tabeli 4 oraz przedstawiono na wykresach (rys ). Dla przepływu wody 200 l/min oraz odpowiednio 25 i 40 l/min powietrza nie udało się wyznaczyć średnic pęcherzyków. Spowodowane było to zbyt niską częstotliwością rejestracji poszczególnych klatek i brakiem ostrości. Tabela 4. Średnica pęcherzyków w zależności od przepływu i odległości od początku kanału. Przepływ wody/powietrza, l/min Średnica pęcherzyków w zależności od odległości od początku kanału, mm 0 cm 30 cm 60 cm 90 cm 120 cm 150 cm 180 cm 50/10 3,1 4,4 4,4 5,3 5,8 5,8 6,2 50/25 3,6 4 5,8 6,2 7,1 8,4 10,7 50/40 5,8 4,9 6,2 8,4 8,9 9,3 10,7 100/10 brak pęch. 4,4 4,4 4,4 5,8 5, /25 3,6 4,4 5,3 6,7 7,1 6,2 8,4 100/40 5,3 5,8 6,2 8,9 10, ,3 200/10 brak pęch. brak pęch. 4,9 6,2 6,2 brak pęch. 9,8 Rys. 16. Zależność średnicy pęcherzyka od przepływu i odległości od początku kanału (cz. I).

13 Rys. 17. Zależność średnicy pęcherzyka od przepływu i odległości od początku kanału (cz. II). Na podstawie przeprowadzonej analizy można zauważyć istnienie wyraźnej zależności między wielkością powstających pęcherzyków a wydatkiem wody oraz odległością od początku kanału, a co za tym idzie, intensywnością nukleacji. Wraz ze wzrostem obu tych parametrów, średnica pęcherzyków rośnie około dwukrotnie na długości kanału. Jednocześnie okazuje się, że zmiana natężenia przepływu powietrza nie ma znaczącego wpływu na wielkość pęcherzyków. Różnice wielkości pęcherzyków w zależności od wydatku powietrza są niewielkie i są nieznaczące w porównaniu do wartości błędów oszacowania wielkości pęcherzyków. W ramach analizy graficznej zgromadzonego materiału, określono średnią wartość kąta oderwania pęcherzyków. Kąt oderwania pęcherzyka określono metodą zaprezentowaną na rysunku 18, a wyniki przedstawiono w tabeli 5. Rys. 18. Prezentacja metody wyznaczania kąta oderwania pęcherzyka. Tabela 5. Kąt oderwania pęcherzyka w poszczególnych seriach pomiarowych. Przepływ wody/powietrza, l/min 50/10 50/25 50/40 100/10 100/25 100/40 200/10 200/25 200/40 0 m Odległość od początku kanału 1,8 m Na podstawie danych z tabeli 3 można zauważyć, że kąt oderwania pęcherzyka maleje wraz ze wzrostem przepływu wody. Wraz ze wzrostem odległości w kanale rośnie wielkość i częstotliwość powstawania pęcherzyków oraz rośnie udział powietrza w strumieniu mieszaniny dwufazowej. Zmianom tym towarzyszy zjawisko pochylenia się pęcherzyków, następuje zmniejszenie kąta oderwania i mocno zaburzony przepływ. Wysokie wartości przepływu powietrza powodują bezpośrednie powstawanie mocno burzliwego przepływu dwufazowego o strukturze pęcherzykowej, co znacząco utrudnia obserwacje. Wzrost wydatku powietrza nie ma wpływu na kąt oderwania pęcherzyka. Pomiary średnicy pęcherzyka i kąta oderwania prowadzono z dokładnością do 1 piksela. Błąd pomiaru średnicy oszacowano na ±0,44 mm, a błąd pomiaru kąta oderwania na ±1.

14 7. WNIOSKI 7.1. BADANIA STRUKTUR PRZEPŁYWÓW DWUFAZOWYCH Porównanie uzyskanych wyników pomiarów z mapami struktur prowadzi do wniosku, iż stanowisko do badania struktur przepływów dwufazowych prawidłowo spełnia swoją rolę. Zdecydowana większość obserwowanych struktur znajduje się w odpowiadających im obszarach na mapach zaczerpniętych z literatury. Niewielkie odchylenia na granicach poszczególnych obszarów spowodowane są stopniową zmianą struktury podczas zmiany parametrów przepływu. Definiowane na mapach granice opisują prawdopodobieństwo przejścia do innej struktury, nie ścisłe warunki jego wystąpienia [1]. Przeprowadzone próby udowodniły możliwość występowania różnych struktur przepływów dwufazowych oraz znaczące różnice w burzliwości przepływu. Zaburzenia w przepływie bezpośrednio wpływają na współczynnik przejmowania ciepła, co prowadzi do stwierdzenia, że struktura przepływu dwufazowego odgrywa bardzo ważną rolę w procesie wymiany ciepła w układach dwufazowych. Wykonanie porównania badań eksperymentalnych z wynikami dostępnymi w literaturze uwidacznia także fakt, iż publikowane mapy struktur nie mogą być traktowane jako uniwersalne. Na występowanie danej struktury przepływu dwufazowego wpływa wiele parametrów. Wśród nich warto wymienić m.in.: temperaturę i ciśnienie panujące w układzie, geometrię i wymiary kanału, a także rodzaj oraz właściwości termodynamiczne obu faz występujących w przepływie. Dlatego dobór mapy na potrzeby porównania eksperymentu z istniejącymi opracowaniami musi uwzględniać zgodność powyższych parametrów. Jak można zauważyć na zamieszczonych mapach struktur, stanowisko pomiarowe nie umożliwia wykonania badań dla całego zakresu prędkości obu faz. Ograniczony zakres wykonywania pomiarów wynika z limitowanej wydajności pompy oraz sprężarki. Z tego względu, w trakcie badań nie udało się zaobserwować struktury dyspersyjnej, występującej przy przypływie poziomym i pionowym w górę. Pomimo ograniczeń, stanowisko do badania przepływów dwufazowych posiada wartość naukową i dydaktyczną. Planowana jest kontynuacja badań, obejmująca m.in. pomiary struktur pod innymi kątami ustawienia rury. Wykonane zostanie także opracowanie statystyczne, pozwalające dokładniej określić właściwości występujących struktur, np. poprzez obliczanie rzeczywistego stosunku objętości faz czy też rozkładu wielkości obserwowanych pęcherzy SYMULACJA POCZĄTKU WRZENIA Na podstawie przeprowadzonych obserwacji i analiz można stwierdzić, że stanowisko badawcze i zaproponowana metodyka pozwalają na obserwację podstawowych zjawisk występujących podczas wrzenia pęcherzykowego. Wyznaczone w analizie wskaźniki wykazują zależność od wydatku powietrza wprowadzanego do układu. Dostarczanie powietrza przeciwprądowo względem strumienia wody skutkuje tworzeniem większych pęcherzyków powietrza na końcu kanału względem początku. Zależność ta jest zgodna z oczekiwaniami wynikającymi ze wzrostu intensywności procesu wrzenia wraz odległością ogrzewanego kanału w układach rzeczywistych. Podczas obserwacji zjawiska zauważono, że sposób i intensywność pojawiania się pęcherzyków ma istotny wpływ na strukturę przepływu dwufazowego gaz-ciecz. Metoda symulacji wrzenia w przepływie jest jednak niedokładna i mocno przybliżona m.in. z uwagi na regularne rozmieszczenie zarodków względem losowego występującego w układach rzeczywistych. LITERATURA [1] Kuchczyńska A., Warunki pracy aparatu ze wznoszącym i opadającym przepływem dwufazowym gaz ciecz, rozprawa doktorska, Opole 2010.

15 [2] Zbiór instrukcji do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu Operacje Mechaniczne w Inżynierii Procesowej, Katedra Inżynierii Procesowej, Politechnika Opolska, (dostęp r.). [3] Weisman, J., 1983, Two-Phase Flow Patterns. Handbook of Fluids in Motion, (red: N.P. Cheremisinoff, R. Gupta), Ann Arbor Science Publishers., str [4] Orzechowski Z., Mechanika płynów w inżynierii środowiska, WNT, Warszawa [5] Barnea D.: A unified model for predicting flow-pattern transitions for the whole range of pipe inclinations, International Journal of Multiphase Flow, t. 13, nr 1, s. 1-12, [6] Wiśniewski S., Wiśniewski T.: Wymiana ciepła. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, [7] Madejski J., Staniszewski B.: Wymiana ciepła przy wrzeniu i przepływy dwufazowe. Część I. Warszawa, Ośrodek informacji o energii jądrowej, [8] Wójcik T. M., Inicjacja wrzenia i histereza wymiany ciepła na pokryciach porowatych, Rozprawy, Monografie, Wydawnictwa AGH, Kraków, [9] Mirek K., Stefański S., Stępień M., Wystąpienie na XX Konferencji Studenckiego Ruchu Naukowego AGH, Bartkowa-Posadowa, października 2015, (dostęp r.). [10] Mirek K., Stefański S., Wystąpienie podczas 53. Konferencji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego, Akademia Górniczo-Hutnicza, ph/dzialalnosc/sesje/53/materia%c5%82y%20konferencyjne.pdf, Kraków, 2016.