WYMIANA CIEPŁA A PRZY ZMIANACH STANU SKUPIENIA

Transkrypt

1 WYMIANA CIEPŁA A PRZY ZMIANACH STANU SKUPIENIA WYKŁAD 8 Dariusz Mikielewicz Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Techniki Cieplnej

2 Wymiana ciepła podczas wrzenia Przejście fazy ciekłej w parową następuje, gdy faza ciekła jest przegrzana, tzn gdy jej temperatura jest wyższa od temperatury nasycenia Powstawanie fazy parowej związane jest z istnieniem zarodków będących źródłami tworzenia się fazy, takich jak zanieczyszczenia w cieczy, rozpuszczone gazy, cząstki promieniowania bądź fluktuacje gęstości lub nierówności na ściance

3 Wymiana ciepła podczas wrzenia Analiza wykazała, iż praca tworzenia się pęcherzyków parowych jest mniejsza dla nierówności powierzchni jak dla zarodków istniejących w objętości cieczy, stąd też faza parowa tworzy się z reguły na ściance, do której doprowadza się ciepło Zagadnienia wrzenia, podobnie jak zagadnienia konwekcji w jednej fazie dzielą się w ogólności na zagadnienia, przy których geometria przestrzeni i hydrodynamika przepływu nie wpływa istotnie na proces wymiany ciepła, nazywane wówczas wrzeniem w objętości oraz na zagadnienia, w których kształt przestrzeni i hydrodynamika przepływu faz ma zasadniczy wpływ na wymianę ciepła, nazywane wrzeniem w przepływie Ponadto, przy małych strumieniach cieplnych, a zatem małych przegrzaniach cieczy wrzenie ma charakter pęcherzykowy, zaś przy dużych strumieniach cieplnych, czyli dużych przegrzaniach cieczy, zamiast pęcherzyków parowych na ściance tworzy się błona parowa i takie wrzenie nazywa się wrzeniem błonowym Rozróżnia się także wrzenie przechłodzone, które ma miejsce gdy temperatura cieczy w pewnej odległości od ścianki jest niższa od temperatury nasycenia i wrzenie nasycone, gdy temperatura cieczy w całej rozpatrywanej objętości jest równa albo nieco wyższa od temperatury nasycenia

4 Wrzenie pęcherzykowe Z warunku równowagi sił działających na pęcherzyk sferyczny, określonego równaniem Laplace'a, wynika że różnica ciśnień między obu fazami jest proporcjonalna do napięcia powierzchniowego p v p L σ R Δp = 2σ R -ciśnienie fazy parowej, -ciśnienie fazy ciekłej, - napięcie powierzchniowe, - promień pęcherzyka sferycznego, p v p L = Z powyższych zależności wynika, że temperatura nasycenia wewnątrz pęcherzyka parowego T R,v będzie wyższa od temperatury nasycenia fazy ciekłej lub temperatury nasycenia nad płaską powierzchnią T v Poszukiwane przegrzanie będzie więc wynosić ΔT = T R,v -T v

5 Nasycone wrzenie w objętości para pęcherze parowe ciecz Ciało stałe Wrzenie przechłodzone: T l <T sat Wrzenie nasycone: T l >T sat

6 Doświadczenie Nukiyamy Para wodna, p=1 atm Woda, T s drucik platynowy, q, ΔT e =T w -T s Stanowisko Nukiyamy do pokazania procesu wrzenia w objętości kontrolując strumień ciepła

7 Wizualizacja wrzenia w doświadczeniu Nukiyamy

8 Powstawanie pęcherzyków parowych (a) obszar pojedynczych pęcherzyków (b) obszar korków i kolumn (strugi parowe) (c) Obszar wrzenia błonowego Wyidealizowane strugi parowe

9 Krzywa wrzenia Nukiyama (1934) Kontrolowany strumień ciepła Kontrolowana temperatura powierzchni AB Konwekcja jednofazowa BC Wrzenie pęcherzykowe CF Wrzenie przejściowe FDE Rozwinięte wrzenie błonowe

10 Krzywa wrzenia q parowanie Początek wrzenia (tzw zerowy kryzys wrzenia): przejście z 1F w 2F wrzenie pęcherzykowep wrzenie wrzenie blonowe q q kr 1 pęcherzykowe K 1 P 1 q kr 2 P 2 K 2 Kryzys wrzenia pierwszego rodzaju: przejście wrzenia pęcherzykowego w przepływ błonowy Kryzys wrzenia drugiego rodzaju: odejście od struktury błonowej b i powrót t do wrzenia pęcherzykowego Punkt Leidenfrosta Δ T

11 Correlations for pool boiling ( PB ) Cooper (1984) PB lnR r ( 0434ln p ) M ( ) p = 55p qw r (18) uogólniony model Cooper a 012 r / 3 ( ln p ) M ( qw) = AAp (19) PB r Gorenflo(1989) = F nf qw R p 0 q R po 0133 PB o PF (20) F PF = 12 p 027 r + 25 p r + p 1 r p r (21) nf = (22) p r

12 Przepływ dwufazowy nieadiabatyczny Podczas przepływu: zmienia się masowa zawartość fazy parowej x wzdłuż kanału, zmienia się stopień zapełnienia kanału, zmienia się lokalny współczynnik przejmowania ciepła a przy ściance wymiana ciepła przez konwekcję wrzenie rozwinięte kierunek doprowadzania ciepła (promieniowy wzdłuż długości kanału Przepływ fazy parowej przepływ mgłowy (ciecz w postaci mgły w parze) Przepływ pierścieniowy (para z zawieszonymi kropelkami cieczy wypełnia środek rury; cienka warstwa cieczy na ściankach) Przepływ korkowy (duże pęcherze pary) Przepływ cieczy o temperaturze nasycenia ( brak kondensacji pęcherzyków pary ) wrzenie przechłodzone Przepływ cieczy niedogrzanej o temperaturze nasycenia przy ściance (brak pęcherzyków pary) wymiana ciepła przez konwekcję kierunek przepływu Przepływ cieczy niedogrzanej do temperatury nasycenia (brak pęcherzyków pary)

13 Struktury przepływu dwufazowego pęcherzykowy mgłowy korkowy pierścieniowy

14 Struktury przepływu dwufazowego, q=var duża a wartość strumienia cieplnego średnia wartość strumienia cieplnego mała a wartość strumienia cieplnego

15 Kryzys wrzenia w przepływie DNB (PWR) Dryout (CANDU)

16 Początek wrzenia nasyconego woda Alkyl (8-16) C=300ppm q w =90 kw/m 2 2 m& = 57 kg / ms

17 Rozwinięte wrzenie nasycone q woda w =90 kw/m 2 Alkyl (8-16) C=300ppm 2 m& = 57 kg / ms

18 Kryzys wrzenia I rodzaju - dryout q woda w =90 kw/m 2 Alkyl (8-16) C=300ppm 2 m& = 57 kg / ms

19 Korelacje empiryczne Korelacje oparte na parametrze Martinellego X tt x ρv μl X tt = x ρ μ tp l tp l = a ( X ) b tt [ Bo m( X ) b ] = a ' + tt l Dengler & Addoms: a=35 i b=-05, Guerrieri & Talty v a=34 i b=-045 Schrock & Grossman: a'=7400, b=066 & m = Collier & Pulling: a'=6700, b=066 & m = TPb l = 1 Pb + l 2 Kutateladze

20 Istniejące metody = S + TPB Pb F cb 1 Uogólnienie małej liczby indywidualnych danych eksperymentalnych autorów w małym zakresie zmian parametrów 2 Uogólnienie dużej liczby danych z wielu źródeł danych w dużym zakresie zmian parametrów Żadna ze znanych korelacji nie ma podstaw teoretycznych!

21 Modyfikacja korelacji / RM S x (1 x) + x f = + 1 f1z dp 3/ 2 μ c 1 dp G pl λ μ GO L GO L f1 f = = z μ c dp μ = = G LO L pg λ G dz LO 1/ 4 ρ ρ G L TPB REF 076 = RM S p PB REF 2 b c d ( ) P = a S R M 1 Re Bo L TPB REF 076 = RM S Re Bo ( RM S 1) 1 PB REF 2