POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY PRACA DOKTORSKA

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY PRACA DOKTORSKA BADANIA WRZENIA W PRZEPŁYWIE WEWNĄTRZ RUREK Z POWŁOKĄ POROWATĄ WYBRANYCH CZYNNIKÓW CHŁODNICZYCH I ICH MIESZANIN Z OLEJEM mgr inż. Bartosz Daidoicz Promotor pracy: prof. dr hab. inż. Janusz T. Cieśliński Gdańsk 008

Pragnę podziękoać promotoroi Profesoroi Januszoi T. Cieślińskiemu za życzlią pomoc, czas pośięcony na konsultacje oraz ogromną cierpliość podczas realizacji pracy.

Spis treści 1. WSTĘP... 8. PROCES WRZENIA W PRZEPŁYWIE... 10.1. Struktury przepłyu... 10.. Metody obliczania spółczynnika przejmoania ciepła... 13.3. Metody określania spadku ciśnienia... 16.4. Poierzchnie intensyfikujące przejmoanie ciepła enątrz kanałó... 0.5. Współczynnik intensyfikacji cieplno-hydraulicznej... 3 3. WRZENIE CIECZY W KANAŁACH Z POWŁOKĄ POROWATĄ... 5 3.1. Wpły połoki poroatej na przebieg krzyej rzenia objętości... 5 3.. Dotychczasoe yniki badań rzenia kanałach z połoką poroatą.. 7 4. TEZA PRACY... 41 5. CEL I ZAKRES PRACY... 4 6. STANOWISKO I PROCEDURA BADAWCZA... 44 6.1. Odcinek badaczy... 44 6.. Zasadniczy obieg badaczy... 46 6.3. Obieg ody grzejnej... 46 6.4. Pomocnicze urządzenie chłodnicze... 46 6.5. Napełnianie obiegu badaczego czynnikiem chłodniczym i olejem... 47 6.6. Badania metalograficzne... 48 6.7. Określenie chropoatości poierzchni... 49 6.8. Procedura badacza... 50 7. OPRACOWANIE WYNIKÓW... 5 7.1. Opracoanie danych eksperymentalnych... 5 7.. Obliczenioy spółczynnik przejmoania ciepła... 53 7.3. Obliczenioy spadek ciśnienia... 54 7.4. Oszacoanie niedokładności pomiaru... 55 8. ANALIZA I UOGÓLNIENIE WYNIKÓW BADAŃ... 6 8.1. Wyniki zorcoania stanoiska... 6 8.. Obliczenioy spadek ciśnienia... 65 8.3. Wpły połoki poroatej na spółczynnik przejmoania ciepła i spadek ciśnienia czystych czynnikó chłodniczych... 67 3

8.4. Wrzenie zaolejonych czynnikó chłodniczych rurce gładkiej... 76 8.5. Wrzenie zaolejonych czynnikó chłodniczych rurce z połoką poroatą... 8 8.6. Rónanie korelacyjne dla czystych czynnikó rzących rurce z połoką poroatą... 94 9. PODSUMOWANIE I WNIOSKI... 10 LITERATURA... 104 Załącznik A Rozkłady średniej i lokalnej temperatury poierzchni rurki przy rzeniu czystych czynnikó... 113 Załącznik B Wpły koncentracji oleju na spółczynnik przejmoania ciepła i spadek ciśnienia przy rzeniu czynnikó chłodniczych rurkach gładkich... 115 Załącznik C Rozkłady średniej i lokalnej temperatury poierzchni rurki oraz spadki ciśnienia przy rzeniu mieszanin z 1% udziałem oleju... 117 Załącznik D Wpły koncentracji oleju na średnią temperaturę zenętrznej poierzchni rurki gładkiej... 10 Załącznik E Wpły koncentracji oleju na średnią temperaturę zenętrznej poierzchni rurki z połoką poroatą... 1 Załącznik F Intensyfikacja cieplno-hydrauliczna dla mieszanin z 1% udziałem oleju rzących rurce z połoką poroatą odniesieniu do rzenia mieszanin rurce gładkiej... 13 Załącznik G Porónanie ynikó badań rzenia rurce z połoką poroatą i rurce gładkiej badanych mieszanin czynnikó chłodniczych z 5% udziałem oleju. 14 4

Spis oznaczeń: A - pole poierzchni [m ] b - ymiar charakterystyczny [m] c - ciepło łaście [J kg -1 K -1 ] d D EF F Fl f - średnica enętrzna [m] - średnica zenętrzna [m] - spółczynnik intensyfikacji przejmoania ciepła - parametr zależny od rodzaju płynu - spółczynnik oporu g - przyspieszenie ziemskie [m s - ] G - gęstość strumienia masy [kg m - s -1 ] h - entalpia jednostkoa [kj kg -1 ] k L - spółczynnik przenikania ciepła odniesiony do 1 m rury [W m -1 K -1 ] L m - długość [m] - masa [kg] m& - strumień masy [kg s -1 ] M - masa moloa [kmol kg -1 ] q - gęstość strumienia ciepła [W m - ] Q p PF - strumień ciepła [W] - ciśnienie [Pa] - spółczynnik zrostu oporó przepłyu r - ciepło paroania [J kg -1 ] t - temperatura [ C] V - objętość [m 3 ] - prędkość przepłyu [m s -1 ] x - stopień suchości 5

Litery greckie: α - spółczynnik przejmoania ciepła [W m - K -1 ] µ - spółczynnik lepkości dynamicznej [Pa s] ε ϕ - stopień zapełnienia - mnożnik Lockharta-Martinellego λ - spółczynnik przeodzenia ciepła [W m -1 K -1 ] ρ - gęstość [kg m -3 ] ρ - gęstość strumienia masy [kg m - s -1 ] σ - napięcie poierzchnioe [N m -1 ] τ ξ - naprężenia styczne [Pa] - udział masoy Indeksy dolne: G GO L LO PB TP TPB K P S W cz gl - para - gaz - ciecz - ciecz - rzenie objętości - przepły dufazoy - rzenie przepłyie - dla konekcji, rzenia konekcyjnego - dla rzenia pęcherzykoego - stanie nasycenia - ścianka - czynnik chłodniczy - poierzchnia gładka 6

kr ol - artość krytyczna - olej roz - poierzchnia rozinięta śr - artość średnia - dla ody Liczby podobieństa: Bo - liczba rzenia, Bo = q& G r Co - liczba konekcji, Co = ρ ρ GO LO 0,5 1 x x 0,8 Nu - liczba Nusselta, Nu = α b λ Pr - liczba Prandtla, Pr = c µ λ Re - liczba Reynoldsa, Re = G b µ X tt - parametr Martinellego dla turbulentnego przepłyu cieczy i pary, X tt = ρ ρ GO LO 0,5 η η LO GO 0,1 1 x x 0,9 7

1. WSTĘP Wymagania ziązane z rozojem techniki kosmicznej, jądroej, ale także energetyki, chłodnicta czy kriotechniki poodują coraz iększy nacisk na projektoanie ysokospranych ymiennikó ciepła. Ze zględu na koszty inestycyjne dąży się do budoy ymiennikó kompaktoych, a ięc o jak najmniejszej masie i objętości. W tym celu coraz poszechniej stosuje się budoie ymiennikó poierzchnie intensyfikujące przejmoanie ciepła. W przypadku paronikó są to rurki o roziniętej poierzchni enętrznej, zenętrznej lub o roziniętej poierzchni zenętrznej i enętrznej [3, 5, 79, 13, 14]. W rozdziale.4 zaprezentoano roziązania poierzchni intensyfikujących przejmoanie ciepła dotyczące rzenia przepłyie. Rozinięcie poierzchni przekazującej ciepło pooduje jednakże z reguły zrost oporó przepłyu, a co za tym idzie zrost kosztó eksploatacji. Konieczne jest opracoanie takich roziniętych poierzchni, które intensyfikując przejmoanie ciepła nie poodują dużych przyrostó oporu przepłyu [6]. Jednym ze sposobó intensyfikacji przejmoania ciepła podczas rzenia jest zastosoanie połoki poroatej. Jak pokazują badania rzenia dużej objętości zastosoanie połoki poroatej pozala na ielokrotne ziększenie spółczynnika przejmoania ciepła, szczególnie przy małych przegrzaniach, a także inicjację procesu rzenia przy znacznie mniejszych przegrzaniach porónaniu do poierzchni technicznie gładkich, co pozala na transport energii cieplnej przy mniejszych różnicach temperatur, a ięc mniejszych stratach egzergii [3, 94, 99]. Niestety, obecność połoki poroatej pooduje ystępoanie niepożądanych zjaisk histerezy przejmoania ciepła. Zagadnienie to zostało szczegółoo opisane pracach [1, 30, 31, 98, 17, 18]. O ile proces rzenia dużej objętości na poierzchniach poroatych jest dość dobrze udokumentoany, o tyle rzeniu przepłyie enątrz rurek z połoką poroatą pośięcono literaturze nieiele prac. Cytoane 8

literaturze prace (rozdz. 3) pośiecone są rzeniu ody, alkoholu, fluorinertó oraz ycofanym z użycia czynnikom chłodniczym R i R113. Ponieaż chłodnicto jest jednym z obszaró, którym rurki intensyfikujące przejmoanie ciepła znajdują szerokie zastosoanie stąd zasadniczym celem prezentoanej pracy jest określenie płyu połoki poroatej na przejmoanie ciepła i opory przepłyu podczas rzenia noych, bardziej przyjaznych środoisku czynnikó chłodniczych R134a i R407C [8, 10, 11, 13, 113]. W przypadku sprężarkoych urządzeń chłodniczych paronikach zachodzi rzenie nie czystego czynnika chłodniczego, lecz jego mieszaniny ze środkiem smarnym. W literaturze znaleziono nieliczne prace dotyczące rzenia dużej objętości zaolejonych czynnikó chłodniczych na poierzchniach gładkich i roziniętych [0, 43, 46, 51, 55, 59, 60, 63, 65, 80-8, 87, 91, 9, 95, 104, 110, 11, 1, 134]. Nie natrafiono na żadną pracę dotyczącą rzenia przepłyie zaolejonych czynnikó chłodniczych kanale z połoką poroatą. 9

. PROCES WRZENIA W PRZEPŁYWIE.1. Struktury przepłyu Podczas rzenia przepłyie kanale formują się różne struktury przepłyu dufazoego zależności od zajemnego stosunku faz, prędkości i geometrii przepłyu, oraz łaściości fizycznych składnikó mieszaniny. Jednoznaczny opis struktur przepłyu dufazoego jest utrudniony ze zględu na stochastyczny charakter przepłyającej mieszaniny gaz ciecz gdzie masoa zaartość faz zmienia się zdłuż długości kanału. Znajomość torzących się struktur ma duże znaczenie przy obliczeniach procesoych, płya zasadniczy sposób na zjaiska przenoszenia pędu, ciepła i masy, determinując tok obliczeń takich ielkości, jak spółczynnik przejmoania ciepła czy spadki ciśnienia. Typoe struktury i przypisane im mechanizmy ymiany ciepła podczas rzenia przepłyie poziomej rurce ilustruje rys..1. Rys..1. Zmiany struktury przepłyu dufazoego podczas rzenia poziomym kanale [119] Podczas doproadzania ciepła do przepłyającej cieczy następuje przepły ciepła od ścianki rurki do cieczy na drodze konekcji ymuszonej. Jeśli rdzeń przepłyu jest jeszcze niedogrzany do temperatury nasycenia to pęcherzyki pary po oderaniu kondensują się, ten zakres rzenia nazya się rzeniem przechłodzonym. Po osiągnięciu przez ciecz temperatury nasycenia postające pęcherzyki paroe, rosną i odryają się. Wóczas mamy do czynienia z rzeniem nasyconym lub roziniętym. W pierszej fazie ma ono charakter rzenia pęcherzykoego, które następnie, skutek łączenia się 10

pęcherzy przechodzi e rzenie o strukturze dużych pęcherzy, czyli strukturę korkoą, a następnie strukturę pierścienioą z rozproszoną fazą ciekłą. Dalsze ogrzeanie proadzi do struktury mgłoej, której zanika ciecz ze ścianki kanału i istnieje tylko formie kropel przepłyie. Na rys.. przedstaiono najczęściej cytoaną klasyfikację struktur przepłyu dufazoego gaz-ciecz dla rzenia kanałach poziomych, yróżniając siedem podstaoych struktur przepłyu [40]. Przepły pęcherzykoy ystępuje gdy strumieniu cieczy ypełniającym przekrój kanału ystępuje górnej części przepły drobnych pęcherzykó gazu. Przepły tłokoy/korkoy drobne pęcherzyki gazu łączą się duże ydłużone pęcherze płynące górną częścią kanału. Przepły rzutoy przez obseroany przekrój poprzeczny kanału przepłya na przemian porcja cieczy (z małymi pęcherzykami gazu) oraz duży pęcherz gazu zajmujący znaczną część przekroju poprzecznego kanału. Przepły arstoy ciecz płynie dolnej, zaś gaz górnej części kanału, poierzchnia rozdziału faz jest gładka. Przepły faloy dolnej części kanału płynie ciecz, a górnej gaz, przy czym poierzchnia rozdziału faz jest silnie pofaloana. Przepły pierścienioy gaz przepłya centralną częścią kanału, a ciecz torzy cienką pierścienioą arstekę na ściance kanału. W dolnej części kanału grubość filmu cieczy jest iększa niż części górnej. W centralnej części kanału fazie gazoej przepłyają nieliczne małe kropelki cieczy, co pooduje, że przepły taki nazyamy jest rónież przepłyem pierścieniookropelkoym. Przepły kropelkoy/mgłoy całym przekrojem poprzecznym kanału płynie strumień gazu zaierający drobne kropelki cieczy torzące mgłę. 11

Przepły pęcherzykoy Przepły faloy Przepły tłokoy/korkoy Przepły pierścienioy Przepły rzutoy Przepły kropelkoy/mgłoy Przepły arstoy/rozarstiony Rys... Struktury przepłyu mieszaniny dufazoej ciecz-gaz przeodzie poziomym [40] Określenie rodzaju poszczególnych form przepłyu dufazoego na drodze teoretycznej przedstaia się na ykresach zanych mapami przepłyu formie obszaró rozdzielonych liniami granicznymi. W literaturze zaproponoano iele takich map opracoanych na podstaie obseracji, różniących się układem spółrzędnych jak i nazenictem dla pojaiających się struktur przepłyu [17, 116, 119, 19]. Na rys..3 przedstaiono przykładoą mapę przepłyu dufazoego kanałach poziomych. 1

Rys..3. Porónanie map przepłyu Kattana i Steinera dla R410A i t s = 5 C kanale o enętrznej średnicy 13,84 mm dla gęstości strumienia ciepła 7,5, 17,5 i 37,5 kw/m [19].. Metody obliczania spółczynnika przejmoania ciepła W literaturze przedstaionych jest iele metod pozalających określić spółczynnik przejmoania ciepła dla przypadku rzenia przepłyie. Jak dotychczas ze zględu na złożoność zjaiska iększość metod obliczenioych ma charakter empiryczny. W niniejszej pracy ykorzystano die korelacje do obliczania spółczynnika przejmoania ciepła tj. metodę zaproponoaną przez J. Mikieleicza i roziniętą następnie przez J. Mikieleicza i D. Mikieleicza, gdyż jest to metoda półempiryczna oparta na podstaach fizycznych [58, 84-86]. Drugą zastosoaną korelacją jest metoda Kandlikara, która jest poszechnie akceptoana literaturze [6, 63]. W metodzie D. Mikieleicza i J. Mikieleicza ykorzystuje się znajomość spółczynnika przejmoania ciepła dla rzenia objętości i konekcyjnego spółczynnika przejmoania ciepła przepłyie jednofazoym oraz spółczynnikó oporó hydrodynamicznych przepłyie dufazoym. Korelacja D. Mikieleicza i J. Mikieleicza, słuszna edług autoró dla całego zakresu rzenia, tj. przy zmianie stopnia suchości od 0 do 1, ma postać [84]: 13

α α TPB REF R 0,76 = M S 1 α + 1 + P α PB REF, (.1) gdzie R M-S jest zmodyfikoaną zależnością Mullera-Steinhagena i Hecka: R 1 ( 1 x) 1/ 3 3 M S = 1 + 1 x + x f, (.) 1 f1z a funkcje f 1 i f 1z yrażone są odpoiednio jako: 1 f µ 0,5 ρ L G 1 = µ, (.3) G ρl µ 1 G cl λl f = z µ L cg λg Popraka P jest obliczana z następującej formuły: 1,5 b c d ( R M 1) Re Bo S L. (.4) P = a, (.5) gdzie spółczynnik a i stałe potęgoe b, c i d zostały yznaczone na podstaie obszernych studió literaturoych. Referencyjny spółczynnik przejmoania ciepła jest róny: α REF =kα L, (.6) gdzie dla cieczy nasyconej przyjmuje się k =1. Współczynnik przejmoana ciepła dla cieczy należy liczyć z zależności: λl 0,8 1/ 3 α LO = 0,03 ReL PrL d. (.7) Do obliczeń spółczynnika przejmoania ciepła podczas rzenia objętości ykorzystuje się korelację Coopera: PB 0,1 0,55 0,5 3 55 pr ( log pr ) M q α =, (.8) gdzie: p r =p/p kr - ciśnienie zredukoane, M - masa cząsteczkoa. 14

Ostatecznie zór (.1) na obliczanie spółczynnika przejmoania ciepła podczas rzenia przepłyie przyjmuje postać: α α TPB REF R 0,76 = M S + 3 1,17 0,6 0,65 1+,53 10 Re Bo ( RM S 1) 1 α α PB REF. (.9) W metodzie Kandlikara [6] przyjmuje się iększą artość z yznaczonych dla rzenia konekcyjnego i rzenia pęcherzykoego: { α α } α =. (.10) TP max TP, K ; TP, P Z kolei dla rzenia pęcherzykoego korelacja Kandlikara ma postać: α 0,8 0,7 0,8 ( 1 x) f ( FrLO ) α LO + 1058Bo ( x) FFlα LO 0, TP, P =,6683Co 1 0 Wartości stałej F Fl zależnej od rodzaju płynu zaiera tab..1. Dla rzenia konekcyjnego Kandlikar zaproponoał korelację:. (.11) α 0,8 0,7 0,8 ( 1 x) f ( FrLO ) α LO + 667,Bo ( x) FFlα LO 0,9 TP, K =,136Co 1 1 (.1) gdzie: ( ) min{ 1, } f Fr LO = 5Fr LO, (.13) G =, (.14) gd FrLO ρlo h dla kanałó poziomych: ( ) 0 f Fr LO = 1, (.15) f ( ) 1 dla ( 0,04) Fr LO = f ( Fr ) ( ) 0, 3 LO = Fr dla ( < 0,04) 5 LO Fr, (.16) Fr. (.17) Liczby kryterialne ystępujące korelacji Kandlikara oblicza się następująco: Co 0,5 0,8 ρ GO 1 x = ρ, (.18) LO x 15

Bo = q G r. (.19) Tab..1. Wartości stałej F Fl zależnej od płynu [6] Płyn F Fl *) Woda 1,00 R11 1,30 R1 1,50 R13B1 1,31 R,0 R113 1,30 R114 1,4 R134a 1,63 R15a 1,10 R3/R13 3,30 R141b 1,80 R14 1,00 Nafta 0,488 *) F Fl stała zależna od cieczy i materiału rurki, oboiązuje tylko dla rurek miedzianych, dla pozostałych stała F Fl = 1 dla szystkich płynó..3. Metody określania spadku ciśnienia Określenie spadku ciśnienia przepłyie z rzeniem należy do podstaoych zagadnień obliczeniach inżynierskich. Podczas przepłyu z rzeniem ystępują różne struktury przepłyu, a także zmienia się udział objętościoy poszczególnych faz zdłuż kanału. To spraia, że ystępują duże trudności analitycznym roziązaniu zagadnienia obliczania oporó przepłyu mieszaniny dufazoej ciecz-gaz, a praktyczne podejście do tego problemu polega na ykorzystaniu korelacji dośiadczalnych lub budoie uproszczonych modeli przepłyu. Mimo trudności ścisłej klasyfikacji metod obliczania oporó przepłyu mieszanin dufazoych ciecz-gaz zaproponoano ich podział na poszczególne grupy [7, 9, 40, 116, 117, 119, 16]. 1. Model homogeniczny. Mieszaninę ielofazoą traktuje się jako ciecz homogeniczną o zastępczych uśrednionych parametrach, a opory przepłyu oblicza się analogicznie jak dla przepłyu jednofazoego. 16

. Model rozdzielony. Przepły myśloo rozdziela się na przepłyy jednofazoe poszczególnych faz płynących kanale o tej samej średnicy, jakim odbya się rozażany przepły dufazoy. Zakłada się przy tym istnienie ścisłego ziązku między oporami przepłyu mieszaniny dufazoej i oporami przepłyu poszczególnych faz płynących samodzielnie kanale takiej samej ilości jak kanale przepłyie dufazoym. 3. Model teoretyczny przepłyu dufazoego. Podejmoane są próby opracoania modeli teoretycznych przepłyu mieszaniny dufazoej dla określonej struktury przepłyu. Modele takie opracoano dla struktur przepłyu, dla których najłatiej jest zdefinioać geometrię przepłyu. 4. Korelacje empiryczne. Spadek ciśnienia przepłyie dufazoym kanale można uażać za ynik tarcia, zmiany ciśnienia hydrostatycznego oraz przyśpieszenia mieszaniny dufazoej i można zapisać następującej ogólnej postaci : p L TP p = L a p + L f p + L h. (.0) Poszczególne składniki rónania oznaczają stratę yołaną: p - zmianą pędu mieszaniny dufazoej L a, p - oporami przepłyu ziązanymi z tarciem L p - zmianą energii potencjalnej. L h Poszczególne składniki spadku ciśnienia definiuje się następujący sposób: f, p L a = TP d dz x + ε GρG 1 ( 1 x) ( ε ) G, (.1) ρl 17

p L f τ = B A, (.) p L h = [ ε ρ + ( 1 ε ) ρ ] g sinα G G G L, (.3) gdzie średni stopień zapełnienia ε obliczany jest z rónania Rouhani i Axelssona dla poziomych rurek [101]: x ε = ρ G ( 1+ 0,1( 1 x) ) x ρg 1 x 1,18 1 + ρ + L 0,5 [ ] ( x) gσ ( ρ ρ ) G ρ L 0,5 L G 1. (.4) Spadki ciśnienia ziązane ze zmianą pędu spoodoane są głónie skutek ciągłego rzenia zdłuż kanału. Autorzy [39, 104, 109] stierdzają, że spadek ciśnienia nie jest iększy od kilku do kilkunastu procent najbardziej niekorzystnych arunkach przepłyu. Ze zględu na jego małą artość nie liczą go oddzielnie, lecz łączają od strat ciśnienia ziązanych z oporami tarcia. Składoa strat ciśnienia ziązana z tarciem ma decydujący pły na całkoity spadek ciśnienia przepłyie dufazoym rurce poziomej i uzależniona jest ściśle od natężenia przepłyu oraz lepkości cieczy. Natomiast uzględnienie hydrostatycznego spadku ciśnienia obliczeniach jest szczególnie istotne przypadku przepłyó z rzeniem kanałach pionoych, gdzie penych przypadkach przepłyu może stanoić naet 80-90% całkoitego spadku ciśnienia. Składoa strat ciśnienia ziązana ze zmianą energii potencjalnej uzależniona jest od dokładności określenia udziału faz przepłyającej mieszaninie dufazoej. Natomiast kanałach poziomych jest ona pomijana. Spośród zaproponoanych literaturze metod obliczania oporó przepłyu mieszanin dufazoych pracy ykorzystano podejście Lockharta Martinellego [40]. Korelacja do obliczenia spadku ciśnienia yołanego tarciem cieczy (.5) i gazu (.6) przyjmuje postać: 18

p p = ϕ L, (.5) L L f LO p p = ϕ G, (.6) L L f GO gdzie gradient ciśnienia dla przepłyu cieczy i gazu przedstaiają odpoiednio zależności: p L u LρL = fl LO d, (.7) p L u GρG = fg GO d. (.8) Współczynniki oporó przepłyu cieczy f LO i gazu f GO liczone są z rónania Blasiusa: 0,3164 f LO =, (.9) Re 0,5 SL 0,3164 f GO =, (.30) Re 0,5 SG zaś liczba Reynoldsa dla cieczy i gazu liczona jest z zależności: u d ρ LO L Re LO =, (.31) µ L u d ρ GO G Re GO =. (.3) µ G Mnożnik Lockharta Martinellego dla cieczy i gazu liczony z rónania Chisholma przyjmuje postać: C 1 L = 1+ + ϕ, (.33) X X ϕ G = 1+ CX + X. (.34) Parametr Lockharta Martinellego jest określony zorem: 19

0,5 p L LO X tt =. (.35) p L GO.4. Poierzchnie intensyfikujące przejmoanie ciepła enątrz kanałó W literaturze omaia się iele sposobó intensyfikacji przejmoania ciepła, zaróno przypadku konekcji jednofazoej, jak i ze zmianą fazy (rzenie, skraplanie) [114, 13]. W przypadku rzenia przepłyie enątrz kanałó najczęściej spotykane roziązania, to żebroanie enętrznej poierzchni rurek, przy czym żebra mogą się różnić znacznie ysokością i kształtem, stosoanie różnego rodzaju kładek, a także perforoanych folii czy siatek przytierdzonych do enętrznej poierzchni rurki. Bardzo obiecującą metodą, jak pokazały szczególnie badania rzenia objętości, może być zastosoanie na enętrznej poierzchni kanału połoki poroatej. W tab.. przedstaiono roziązania konstrukcyjne poierzchni intensyfikujących przejmoanie ciepła podczas rzenia przepłyie oraz czynniki i zakres, dla których zostały przeproadzone badania. Tab... Poierzchnie intensyfikujące przejmoanie ciepła podczas rzenia przepłyie Typ rurki Niskożebroana Autorzy Uagi (czynnik; D, d [mm]; G [kg/m s]; t s [ C]) Eckels i in. [41] R134a; D=9,5; G=85-375; t s =1 Colombo i in. [37] R134a; D=9,5; G=100-340; t s =5 Haberschill i in. [50] R, R407C; D=7, D=1,7; G=150-300; t s =15 Nidegger i in. [91] R134a; d=11,9; G=100-300; t s =4 Picanco i in. [97] Targański, Cieśliński [111, 11] Cieśliński, Daidoicz, Targański [1] R141b; D=1, d=11,; G=100-50; t s =43 R134a, R, R407C; d=8,9; G=50-600; t s =0 R; d=8,9; G=50-600; t s =0 0

cd. Tab... Typ rurki Microfin żebra krzyżoe Oalna niskożebroana Żebra strzałkoe Żebroana Autorzy Uagi (czynnik; D, d [mm]; G [kg/ms]; ts [ C]) Chamra i in. [15] R; D=15,88; d=14,88; G=7-89; ts=, Kim i in. [69] R; G=150, 5, 300; Dm/Dn=11,/7,47; ts=15 Wellsandt i Vamling [15] R134a; D=9,53; G=16-366; ts=-7-10,1 Bandarra i Jabardo [4] R134a; D=9,5; d=8,9; G=100-500; ts=5 Conklin, Vineyard poz. [113] R143a/R14; d=15,3; G=160-460 Liu [76] R134a, R; D=9,5; G=130-400; ts=7, Murata, Hashizume [90] R13, R134a; D=1,7, d=10,7; G=93, 185, 78; ps=0,, 0,4 MPa; liczba żeber=60, głębokość=0,3 mm, kąt 30 Ha, Moon [49] R; D=7, 9,5; G=150-00; ts=7,5-9 Cheng i Chen [16] Woda; d=; ts=146; G=410, 610,810; Cheng i in. [18] Woda; d=11,6; G=400-1600; Tsub=4050oC Kim i in. [68] R134a; d=17,04; G=85 1300; ts=5-40 Tucakovic i in. [118] Woda, obliczenia numeryczne Momoki i in. [88] R; d=1; G=100-300; ps=0,-0,3 MPa R13; d=1; G=100-300; ps=0,8-11 MPa 1

cd. Tab... Typ rurki Autorzy Śruboo formoana Thors, Bogart [113] Wen, Hsieh [113] Targański i Cieśliński [111, 11] Uagi (czynnik; D, d [mm]; G [kg/m s]; t s [ C]) R; d=14,1; G=75-380; t s =1,7 R134a; d=14; G=50-375; t s =9 R134a, R, R407C; d=8,8; G=50-500; t s =0 Karsli i in. [64] Waisman i in. [14] Celata i in. [14] Yun i in. [13] R11; D=18; m& =9-75g/s; p s =0,75 MPa; T sub =16, 19,, 4 o C R113, D=7; d=6; G=611-3333; T sub =9-88 o C Woda, d=6 i 8; G= 10 3-10 10 3 ; T sub =95-30K Azot, d=10,6; G=58-105; t s =-191 Wkładka taśmoa z perforacją i bez perforacji Hsieh i in. [53-56] R600a; d=10,6; G=8,3-603,3; p s =0,75 MPa Wkładka z połoką poroatą Ikeuchi i in [57] R; D=19,5; d=17,05; G=30-140; Grubość kładki g=1,6mm Wkładka gładka Wkładka giaździsta Kubanek i Miletti [74] Gorin [45] R11; D=15,9, d=14,4; G=65-70; R; D=18,, d=15; G=100

cd. Tab... Typ rurki Autorzy Uagi (czynnik; D, d [mm]; G [kg/m s]; t s [ C]) Wkładka siatkoa Kuzay i in. [75] Azot; D=1,7, d=9,53; t s = -175,65 Siatka druciana Styrikovich i in. [108] Woda, D=10, d=8; G=1000-000; p=6,85, 9,81, 13,73 Żebra przestaione Kim B., Sohn B. [67] Tuleja perforoana Madhusudana, Balakrishnan [77] R113; G=17 43 kg/m s ; t s =-7,4 ysokość żebra, H=,8 mm długość żebra l=1,5 mm przestrzeń między żebrami s=3,5 mm grubość żebra t=0, mm średnica hydrauliczna D h =,84 mm Woda, D=5,4; G=577-1347; Liczba otoró na m 1600-91000; średnica otoru 1, 1, mm Połoka poroata Przegląd literatury rozdział 3.5. Współczynnik intensyfikacji cieplno-hydraulicznej Wpły rozinięcia poierzchni na intensyność przejmoania ciepła opisuje spółczynnik intensyfikacji, zdefinioany jako stosunek spółczynnika przejmoania ciepła rurce o poierzchni roziniętej do spółczynnika przejmoania ciepła rurce gładkiej dla tych samych parametró przepłyu: EF roz α α roz =. (.36) gl Ziększenie spółczynnika przejmoania ciepła na skutek rozinięcia enętrznej poierzchni rurki iąże się najczęściej ze zrostem oporó 3

przepłyu. Ziększenie spadku ciśnienia rurce o poierzchni roziniętej stosunku do spadku ciśnienia rurce gładkiej ujmuje spółczynnik zrostu oporó przepłyu: PF roz P P roz =. (.37) gl Stosunek spółczynnikó EF roz /PF roz może być miarą efektyności intensyfikacji przejmoania ciepła na skutek rozinięcia enętrznej poierzchni rurki [36, 4, 66, 104, 110]. Natomiast pły obecności oleju na intensyność przejmoania ciepła podczas rzenia ujmuje spółczynnik intensyfikacji przejmoania ciepła, będący stosunkiem spółczynnika przejmoania ciepła rzącej mieszaniny czynnika chłodniczego i oleju do spółczynnika przejmoania ciepła dla czystego czynnika: EF ol α α ol =. (.38) cz Ziększony spadek ciśnienia mieszaninie z olejem stosunku do spadku ciśnienia czystego czynnika chłodniczego ujmuje spółczynnik zrostu oporó przepłyy yrażony jako: PF ol P P ol =. (.39) cz Współczynnik EF ol,roz stanoi stosunek spółczynnika przejmoania ciepła dla zaolejonych czynnikó chłodniczych rzących rurce o roziniętej poierzchni do spółczynnika przejmoania ciepła zaolejonych czynnikó rzących rurce gładkiej: EF roz, ol α roz, ol =. (.40) α gl, ol Z kolei spółczynnik PF ol,roz odnosi się do spadku ciśnienia dla mieszaniny czynnikoo-olejoej i rurki o poierzchni roziniętej oraz spadku ciśnienia dla zaolejonego czynnika rzącego rurce gładkiej: PF P roz, ol roz, ol =. (.41) Pgl, ol 4

3. WRZENIE CIECZY W KANAŁACH Z POWŁOKĄ POROWATĄ 3.1. Wpły połoki poroatej na przebieg krzyej rzenia objętości Zależnie od rodzaju poierzchni otrzymuje się odmienny przebieg krzyej rzenia. Rys. 3.1 przedstaia możliy przebieg krzyych rzenia na poierzchniach poroatych o dużym spółczynniku przeodzenia ciepła i porónaczą krzyą dla poierzchni gładkiej edług Koalea i in. [7]. Na krzyej rzenia dla poierzchni poroatej yróżnia się trzy odcinki, początkoy ze stromym zrostem gęstości strumienia ciepła ze zrostem różnicy temperatury T, następnie nachylenie krzyej zmniejsza się, końcu przy dużych T nachylenie krzyej pononie zrasta. Wskutek postaania histerezy kapilarnej może dojść do histerezy cieplnej, polegającej na pojaieniu się gałęzi FGE i DH przy obniżaniu gęstości strumienia ciepła. log q log T Rys. 3.1. Krzye rzenia na poierzchni gładkiej (1) i poroatej () o dużym spółczynniku przeodzenia ciepła g Koalea i in. [73] W przypadku połok ykonanych z materiałó o małej przeodności cieplnej λ, krzya rzenia ygląda nieco inaczej (rys. 3.). Charakterystyczne jest pojaienie się poziomych odcinkó przy progoych artościach q * - przy zroście gęstości strumienia ciepła i q ** przy jego obniżaniu. Przejścia te charakteryzują się długimi czasami stanu ustalonego i torzą duże przyrosty temperatury T. 5

Rys. 3.. Krzye rzenia na arstie poroatej o małym spółczynniku przeodności cieplnej (niemetalicznej) g Styrikoicza i in. [107] Krzyą rzenia oraz histerezę ymiany ciepła II rodzaju dla połok o strukturze kapilarno poroatej (SKP) ykonanych z miedzianych łókien pokazano na rys. 3.3 i rys. 3.4. Rys. 3.3. Charakterystyczne zakresy krzyej rzenia z histerezą II-rodzaju [17] Linia przeryana na rysunku przedstaia zakres bardzo małych przegrzań poierzchni pokrytej strukturą poroatą ( Τ~1 K). Charakter przebiegu krzyej rzenia, części a, śiadczy o nieznacznie rosnącej artości spółczynnika przejmoania ciepła α raz ze zrostem gęstości strumienia ciepła q. Przy ziększaniu strumienia ciepła, punkcie A następuje zmiana pochylenia krzyej 6

rzenia, co śiadczy o zmianie mechanizmu ymiany ciepła, gdzie następuje aktyacja poró enątrz struktury. Nagły zrost gęstości strumienia ciepła od punktu A zakresie b ziązany jest ze ziększoną liczbą ośrodkó nukleacji. Zmniejszając strumień ciepła ujania się histereza, a ośrodki nukleacji enątrz struktury są dalszym ciągu aktyne. W obszarze c odcinki krzyej rzenia są stabilne zakresach temperatur pokazanych na rys. 3.3, przy zroście i zmniejszaniu strumienia ciepła. Uzyskanie niższej artości strumienia ciepła, dla tej samej różnicy temperatur (niższa krzya z zakresó c lub krzya a) możlie jest tylko tedy, gdy doproadzi się do zaniku rzenia. Rys. 3.4. Obszar histerezy ymiany ciepła. 1 krzya rzenia dla poierzchni gładkich, obszar histerezy ymiany ciepła dla roziniętych mikro poierzchni [18] Wrzenie objętości na poierzchniach poroatych jest dość dobrze udokumentoane, między innymi postaci monografii [31, 94, 99], natomiast brak jest opracoań dotyczących rzenia przepłyie kanałach z połoką poroatą. 3.. Dotychczasoe yniki badań rzenia kanałach z połoką poroatą Na podstaie analizy pracy yparek z rurkami z połoką poroatą typu High Flux na ich enętrznej poierzchni, O Neill i in. [93] zaproponoali do obliczeń spółczynnika przejmoania ciepła przy rzeniu przepłyie krzye rzenia objętości na poierzchni tego typu, jednak z uzględnieniem hydrodynamiki przepłyu, tym yższych spółczynnikó tarcia toarzyszących przepłyoi czynnika rurce z połoką poroatą. Czikk i in. [38] przeproadzili badania z rzeniem tlenu, amoniaku i R enątrz pionoej rurki o średnicy enętrznej 18,7 mm pokrytej enątrz 7

arstą poroatą typu High Flux. W przypadku rzenia tlenu rurce pionoej, uzyskane yniki dla rzenia przepłyie są bardzo zbliżone do rezultató uzyskanych przy rzeniu objętości na poierzchniach typu High Flux, natomiast spółczynniki przejmoania ciepła są o rząd ielkości yższe porónaniu do rzenia rurce gładkiej. Wzrost spółczynnika przejmoania ciepła zaobseroano przy rzeniu amoniaku i R rys. 3.5. Nie zanotoano płyu gęstości strumienia masy i stopnia suchości na ylocie z rurki na intensyność przenoszenia ciepła. Czikk i in. badali rónież rzenie amoniaku enątrz poziomej rurki pokrytej połoką poroatą o zenętrznej średnicy 5 mm przy ciśnieniu,16 MPa. W przypadku rzenia poziomej rurce pły gęstości strumienia masy okazał się znaczący. Poza tym raz ze zrostem gęstości strumienia masy zrastała intensyność przejmoania ciepła. rurka z połoką poroatą rurka gładka α [kw/m s] x [ ] Rys. 3.5. Wrzenie czynnika R pionoej rurce typu High Flux oraz rurce gładkiej [38] Ikeuchi i in. [57] przeproadzili eksperymenty z rzeniem czynnika chłodniczego R poziomej rurce o średnicy enętrznej 17,05 mm z połoką poroatą ykonaną z trzech arst ziaren miedzi o ymiarze ziarna 0,115 mm. Rurka miała długość 3,38 m i była ogrzeana za pomocą płaszcza odnego. Ciśnienie R na ylocie ynosiło 0,59 MPa. Stopień suchości pary na locie 8

ynosił 14%, a na ylocie 70-95% oraz 100% (z przegrzaniem ynoszącym 5 K). Stierdzono, iż stopień suchości pary na ylocie ma duży pły na spółczynnik przejmoania ciepła rys 3.6. Dla stopnia suchości x<1 pary mokrej na ylocie z badanej rurki uzyskano pięciokrotny zrost spółczynnika przejmoania ciepła porónaniu z rurką gładką. Natomiast dla pary przegrzanej zrost spółczynnika przejmoania ciepła był jedynie trzykrotny rys. 3.6. 1 rurka gładka rurka poroata α [kw/m K] G [kg/m s] Rys. 3.6. Współczynnik przejmoania ciepła podczas rzenia przepłyie czynnika R enątrz rurki gładkiej i rurki z połoką poroatą, przy x=1 i T s =5K oraz przy x<1 zależności od gęstości strumienia masy [57] Kirin i in. [70] zajmoali się yznaczaniem lokalnego spółczynnika przejmoania ciepła podczas rzenia R enątrz pionoej rurki z połoką poroatą o średnicy 8 mm i długości 400 mm. Niestety nie podano żadnych parametró połoki poroatej. Wyniki badań pokazały, że zastosoanie połoki poroatej pooduje zmianę granic ystępoania struktur przepłyu. Nie mniej jednak, pomiędzy charakterem przepłyu podczas rzenia rurce z połoką poroatą i rzeniu rurce gładkiej nie stierdzono jakościoych różnic. Ponadto dla iększej badanej gęstości strumienia masy (40 kg/m s) przepły pierścienioy ystąpił dla całego zakresu stopnia suchości, 9

a spółczynnik przejmoania ciepła zrastał raz ze zrostem stopnia suchości rys. 3.7. W przypadku mniejszej badanej gęstości strumienia masy (50 kg/m s) jakościoy charakter zmian spółczynnika przejmoania ciepła zależności od stopnia suchości był taki sam dla rurki gładkiej jak i z połoką poroatą, jednak artość spółczynnika przejmoania ciepła rurce z połoką poroatą była yższa rys. 3.8. Średni spółczynnik przejmoania ciepła przypadku rzenia rurce z połoką poroatą był przybliżeniu razy yższy porónaniu do rzenia rurce gładkiej. Rys. 3.7. Lokalny spółczynnik przejmoania ciepła pionoych rurkach, gładkiej i z pokryciem poroatym, d o =8 mm, t o =0 o C, ρ=40 kg/m s: rurka z pokryciem poroatym linia przeryana, rurka gładka linia ciągła; 1 przepły pęcherzykoy, przepły rzutoy, 3 pierścienioy, 4 przepły kropelkoy (dyspersyjny) [70] 30

Rys. 3.8. Lokalny spółczynnik przejmoania ciepła pionoych rurkach gładkiej i z pokryciem poroatym, d o =8 mm, t o =0 o C, ρ=50 kg/m s: rurka z pokryciem poroatym linia przeryana, rurka gładka linia ciągła; 1 przepły pęcherzykoy, przepły rzutoy, 3 pierścienioy, 4 przepły kropelkoy (dyspersyjny) [70] Chasano i in. [5] badali rzenie destyloanej ody elektrycznie ogrzeanej rurce o długości m i średnicy enętrznej rónej 7,78 mm ze spiekaną połoką poroatą ykonaną ze stali nierdzenej o grubości 0,-0,8 mm i poroatości 70-80% o ymiarze ziarna 0,06 mm. Ustalono, że temperatura ścianki obszarze pokryzysoej ymiany ciepła dla rurki z połoką poroatą była yraźnie niższa, chociaż strumień ciepła był ok. 5% yższy niż dla rurki gładkiej. Jednocześnie, poziom pulsacji temperatury był czterokrotnie niższy niż rurce gładkiej. Sakin i in. [103] kontynuoali badania pionoej rurce opisanej przez Chasanoa i in. [5]. Badania pokazały, że obszarze przedkryzysoym średni spółczynnik przejmoania ciepła był 3 razy yższy niż dla rurki gładkiej - rys. 3.9. Znaczenie płyu połoki poroatej na przenoszenie ciepła rośnie ze zrostem ciśnienia. Im yższe było ciśnienie rurce (0,1-6 MPa) tym yższy był spółczynnik intensyfikacji. W obszarze przejścioym pulsacje temperatury były 5 razy mniejsze niż rurce gładkiej. Po 500 godzinach pracy rurki nie zaobseroano pogorszenia się intensyności przekazyania ciepła. 31

Rys. 3.9. Współczynnik przejmoania ciepła dla ody rurce gładkiej i z połoką poroatą, rurka gładka, - rurka z połoką poroatą [103] Szkloer i Koalo [109] badali mechanizm przejmoania ciepła od płaskiej poziomej poierzchni pokrytej mm arstą poroatą ykonaną metodą spiekania z ziaren brązu o ymiarze ziarna 0,-0,3 mm, podczas rzenia alkoholu etyloego. Podczas testó stopień suchości na locie do prostokątnego kanału ynosił 0,1 lub 0,3. Interesujące jest to, iż dla niskich gęstości strumienia ciepła (poniżej 100 kw/m ) spółczynnik przejmoania ciepła dla rzenia dużej objętości był yższy niż dla rzenia przepłyie rys. 3.10. Dla yższych gęstości strumienia ciepła (poyżej 1 MW/m ), niezależnie od stopnia suchości na locie, spółczynnik przejmoania ciepła był yraźnie yższy dla połoki poroatej. Szkloer i Koalo tierdzą, że przepły cieczy zdłuż arsty poroatej ułatia ujście pary z arsty poroatej. Efekt ten nasila się ze zrostem prędkości cieczy kanale. 3

Rys. 3.10. Porónanie spółczynnika przejmoania ciepła na poierzchni poroatej dla rzenia przepłyie i rzenia objętości; x=0,1, x=0,3, rzenie dużej objętości [109] Koalo i Szkloer [7] ykonali eksperymenty z rzeniem ody na płaskiej płytce (90x100 mm) zamocoanej dnie prostokątnego kanału o długości 50 mm i ysokości 1,0-14 mm. Płytka była pokryta połoką poroatą ykonaną z ziaren brązu o średnicy 0,063-0,5 mm i grubości arsty 1 i mm. Badania przeproadzono dla ody o przechłodzeniu T=40 K i dufazoej mieszaniny o stopniu suchości 0,3 pod ciśnieniem atmosferycznym. W przypadku przechłodzonej cieczy dla całego zakresu gęstości strumienia ciepła (00-300 kw/m ) spółczynnik przejmoania ciepła był od 1,3 do 3 razy yższy niż dla poierzchni gładkiej. Dla niższych gęstości strumienia ciepła (poniżej 1, MW/m ) bardziej efektyna była połoka ykonana z ziaren o dużej średnicy i grubości połoki mm; dla yższych gęstości strumienia ciepła - ponad 1, MW/m, bardziej efektyna okazała się cienka połoka (1 mm), charakteryzująca się niskim oporem cieplnym. W przypadku mieszaniny dufazoej pły połoki poroatej na przekazyanie ciepła nie był znaczący. Solo e i Szkloer [106] porónali yniki dla tej samej arsty poroatej raz dla przypadku rzenia objętości, a następnie przy rzeniu przepłyie. Poroatość arsty ykonanej z ziaren brązu ynosiła 15-64%, grubość 1 i mm, a średni ymiar pora ynosił od 10 do 00 µm. Eksperyment przeproadzono dla ody o przechłodzeniu T=40 K i etanolu. Dla gęstości strumienia ciepła poniżej 700 kw/m spółczynnik przejmoania ciepła podczas rzenia objętości był yższy niż dla rzenia przepłyie. W przypadku 33

gęstości strumienia ciepła poyżej 700 kw/m zaobseroano sytuację odrotną rys. 3.11. Rys. 3.11. Współczynnik przejmoania ciepła dla ody i etanolu na poierzchni poroatej podczas rzenia dużej objętości dla - alkoholu i - ody oraz przepłyie dla alkoholu i ody [106] Morozo i in. [89] przeproadzili eksperymenty z rzeniem potasu pionoej rurce pokrytej połoką z łókien ze stali nierdzenej ykonaną metodą spiekania. Połoka była nałożona na całej długości rurki (1,3 m), a drugim przypadku na połoie długości rurki. W rurce z połoką poroatą na całej długości kryzys rzenia rozinął się od przekroju, którym następoał początek rzenia, natomiast dla rurki z połoką poroatą na połoie długości górnym odcinku, następoał pobliżu jej ylotu. Morozo i in. ustalili, że dla rurki z połoką poroatą i gęstości strumienia masy poniżej 70 kg/m s krytyczny stopień suchości pary jest stały i róna się praie jedności. Dla gęstości strumienia masy pomiędzy 70 kg/m s a 10 kg/m s krytyczny stopień suchości pary zrasta ze zrostem gęstości strumienia masy i jest yższy niż dla rurki gładkiej, a przypadku gęstości strumienia masy poyżej 10 kg/m s krytyczny stopień suchości pary zrasta także, ale jest niższy niż dla rurki gładkiej rys. 3.1. 34

Rys. 3.1. Krytyczny stopień suchości pary kanale gładkim oraz kanale z pokryciem poroatym [89] Koto i in. [71] przeproadzili eksperymenty z rzeniem ody enątrz pionoego kanału zakresie ciśnień od 6,9 do 17,6 MPa i gęstości strumienia masy 500-500 kg/m s. Przebadano die geometrie kanału: kanał pierścienioy i kanał o przekroju kołoym. Długość kanału pierścienioego ynosiła 1,1 m, szerokość szczeliny była róna mm, a średnia średnica 1 mm. Chromoonikloą arstę poroatą przypadku kanału pierścienioego naniesiono na zenętrzną poierzchnię rurki grzejnej metodą natryskiania cieplnego. Rurka o przekroju kołoym miała długość 0,8 m i składała się z dóch odcinkó: gładkiego i z połoką poroatą o długościach odpoiednio: 0,75 m i 0,55 m. Połokę poroatą z ziaren ze stali nierdzenej na enętrznej poierzchni rurki ykonano metodą spiekania. Poroatość arsty ynosiła 30-45%, a grubość od 0,15 do 0,3 mm. Koto i in. ustalili, że gęstość krytycznego strumienia ciepła maleje ze zrostem ciśnienia i gęstości strumienia masy. Dla yższych artości ciśnienia i gęstości strumienia masy pły połoki poroatej był bardziej yraźny. Badania ykazały, że dopiero dla ciśnienia poyżej 1 MPa zastosoanie arsty poroatej proadzi do podyższenia krytycznej gęstości strumienia ciepła. Andriano i in. [] przeproadzili systematyczne badania spadku ciśnienia podczas jedno- i dufazoego przepłyu enątrz pionoej rurki z połoką poroatą o średnicy 8 mm. Odcinek testoy miał 1,19 m długości. Połokę poroatą ykonano metodą spiekania z ziaren ze stali nierdzenej o średnicy ziarna 63-100 µm. Poroatość połoki ynosiła 40-50%, a średnia grubość ok. 0, mm. Zakres ciśnienia ynosił od 3 do 16 MPa, a gęstość 35

strumienia masy zmieniała się od 500 do 000 kg/m s. Eksperymenty przeproadzono dla ody o przechłodzeniu T=0 K, mieszaniny parooodnej przepłyie adiabatycznym oraz mieszaniny paroo-odnej ogrzeanej rurce. Badacze ustalili, że spółczynnik tarcia dla rurki z połoką poroatą był 4-5 razy yższy niż rurce gładkiej i 3 razy iększy niż dla rurki technicznie chropoatej i średnio 1,4 razy yższy niż dla poierzchni piaskoanej rys. 3.13. Według Andrianoa i in. chropoatość poierzchni rurki, ynikająca z nałożenia arsty poroatej, nie jest jedyną i zasadniczą przyczyną zrostu spadku ciśnienia podczas jedno- i dufazoego przepłyu enątrz rurek, lecz za zrost oporu hydraulicznego są odpoiedzialne procesy hydrodynamiczne, które zachodzą e nętrzu połoki poroatej. Stierdzono rónież, że ogrzeanie odcinka testoego nie miało płyu na opory przepłyu. Rys. 3.13. Współczynnik tarcia podczas przepłyu dufazoego ody rurkach: 1 z połoką poroatą, rurce gładkiej [] Zue i Malyszenko [133] badali zjaisko kryzysu rzenia ody pionoej rurce o długości 1 m i enętrznej średnicy 8 mm z połoką poroatą na całej długości rurki i rurce z połoką poroatą nałożoną na końcoy odcinek o długości 0,4 m. Połoka poroata o grubości 0, mm i poroatości 40-50% była ykonana metodą spiekania próżnioego z ziaren ze stali nierdzenej o średnicy 63-100 µm. Stierdzono, że zastosoanie połoki poroatej zasadniczo płya na dynamikę inicjacji i rozoju kryzysu rzenia. 36

Czas rozoju kryzysu zrasta z 10 sekund do kilku minut porónaniu do rurki gładkiej przy tych samych parametrach przepłyu. Początek kryzysu rzenia charakteryzuje się fluktuacjami temperatury ścianki o małej częstotliości i nieielkiej amplitudzie (1 K). Autorzy zaobseroali zrost stabilności termicznej stanach przed- i pokryzysoych. Jednakże zastosoanie pokrycia poroatego znacząco podyższa opory przepłyu od 3 do 4 razy porónaniu z rurką gładką. Wadekar [10] przedstaił yniki badań dla R113 podczas rzenia przepłyie specjalnie skonstruoanej pionoej rurce o średnicy enętrznej rónej 19 mm. Rurka pomiaroa składała się z trzech odcinkó dóch z połoką poroatą rozdzielonych rurką gładką. Każdy odcinek miał długość 1 m. Połokę poroatą ykonano z miedzi fosforoej o średnicy ziarna 150 µm. Grubość połoki ynosiła 0,-0,3 mm. Współczynnik przejmoania ciepła dla rurki z połoką poroatą był o rząd ielkości iększy niż rurce gładkiej - rys. 3.14. Wadekar sugeruje, że do kryzysu rzenia rurkach z połoką poroatą dochodzi yniku postania błony pary, a nie yschnięcia filmu cieczy. Poza tym, Wadekar zaobseroał przesuanie się frontu rzenia kierunku przepłyu. Zagadnienie to jest szczegółoo omaiane [1]. Rys. 3.14. Współczynnik przejmoania ciepła podczas rzenia R113 rurce z połoką poroatej z środkoym odcinkiem gładkim, zależności stopnia suchości [10] Schroder-Richter i in. [105] badali krytyczny strumień ciepła podczas rzenia przepłyie ody krótkiej (34 mm) pionoej rurce z połoką 37

poroatą ze stopu żaroodpornego Inconel-600. Grubość spiekanej arsty poroatej ynosiła 0,18 mm. Dla badanego zakresu parametró tj.: przechłodzenia ody na locie T=3-55 K, gęstości strumienia masy poniżej 00 kg/m s i ciśnienia 0,1-0,7 MPa, stierdzono, że obecność arsty poroatej nie ma płyu na artość krytycznej gęstości strumienia ciepła. Malyszenko i in. [79] bazując na systematycznych badaniach kryzysu rzenia przepłyie pierścienioym enątrz pionoej rurki z połoką poroatą, stierdzili, że istnienie arsty poroatej na ściance rurki proadzi do zasadniczej zmiany hydrodynamiki filmu cieczy oraz procesu ymiany masy pomiędzy paroym rdzeniem, a filmem cieczy. Przepły filmu cieczoego i przekazyanie ciepła obszarze przejścioym jest funkcją nie tylko standardoych parametró takich jak, stopień suchości, gęstość strumienia masy i ciśnienie, ale zależy rónież od parametró połoki poroatej. Wyróżniono i przeanalizoano następujące efekty mające pły na proces ymiany masy podczas kryzysu rzenia rurkach z połoką poroatą: zmiana spektrum średnic kropelek cieczy parze, znaczący efekt przestrzelonych kropel, zjaisko aeracji rola aeracji filmu cieczoego przez pęcherzyki paroe staje się bardziej istotna szerszym zakresie stopnia suchości aż do krytycznego stopnia suchości, efekty kapilarne arstie poroatej, intensyfikacja pononego zilżania obszarze ysychania. Yildiz [131] oraz Yildiz i Bartsch [130] badali kryzys rzenia ody dóch rurkach z połoką poroatą o dużej poroatości (50-70%). Długość rurki ze stali żaroodpornej Inconel-600 ynosiła 170 mm, natomiast ze stali nierdzenej 310 mm. Badacze ustalili, że naniesienie połoki poroatej pooduje podyższenie krytycznej gęstości strumienia ciepła dopiero przy ciśnieniu 0,7 MPa. Ponadto stierdzili, że zrost lub spadek krytycznego strumienia ciepła przy zastosoaniu połoki poroatej zależy od struktury przepłyu. Stierdzono, że spadek ciśnienia rurce z połoką poroatą jest yższy niż przy przepłyie rurce gładkiej. Malyszenko [78] rozażał trzy efekty, których się należy spodzieać przy zastosoaniu połoki poroatej poziomych kanałach dla przepłyu rozarstionego i rzutoego z generacją pary odnej, a które mogą proadzić do zmniejszenia niejednorodności temperatury ścianki. Są to: pły połoki 38

poroatej na spółczynnik tarcia, azymutoy efekt rurki ciepła (podciąganie kapilarne), efekt zilżania poierzchni rurki przez przestrzelone krople. Ammerman i You [1] przeproadzili eksperymenty z rzeniem fluorinertu FC-87 enątrz kanału o przekroju kadratoym o ymiarze boku mm i długości 80 mm. Połoka poroata była nałożona techniką maloania, gdzie uzyskano średnią grubość arsty 100 µm. Szkielet arsty poroatej ykonany były z diamentu technicznego o ielkości ziarna 8-1 µm. Zastosoanie mikroporoatej połoki objaiało się początkiem rzenia przy niższym przegrzaniu ścianki, znaczącej intensyfikacji strumienia przekazyania ciepła, jak rónież ziększeniem krytycznego strumienia ciepła. Poza tym, zastosoanie arsty poroatej nie proadziło do ziększenia spadku ciśnienia przypadku rzenia przechłodzonego. Rainey i in. [100] badali pły prędkości cieczy i jej przechłodzenia na ymianę ciepła na płaskiej poroatej płytce umieszczonej dnie poziomego kanału o przekroju kadratoym. Połokę poroatą naniesiono techniką maloania uzyskując grubość arsty ok. 50 µm. Mikroporoata struktura składała się z ziaren aluminium o średnicy 1-0 µm i spoia epoksydoego. Badania przeproadzono dla fluorinertu FC-7 przy ciśnieniu atmosferycznym. Rainey i inni ustalili, że intensyfikacja przejmoania ciepła na płytce z połoką mikroporoatą następuje przy yższych prędkościach cieczy porónaniu do płytki gładkiej. Ponadto naniesienie połoki mikroporoatej pooduje ziększenie krytycznego strumienia ciepła, który zrasta raz ze zrostem stopnia przechłodzenia cieczy. Jednakże odrotnie niż przypadku poierzchni gładkiej, efektyność cieplna połoki spada raz ze zrostem prędkości cieczy. Sarar i in. [10] badali kryzys rzenia ody pionoych rurkach o średnicy zenętrznej 1,7 mm i długości 30 mm z połoką poroatą ykonaną techniką maloania. Struktura mikroporoata składała się z ziaren tlenkó aluminium o ymiarze ziarna 10 µm i grubości połoki odpoiednio 0 i 50 µm, tlenkó tytanu o średnicy ziarna 5 µm i grubości połoki 50 µm oraz tlenkó aluminium o średnicy ziarna 1 µm i grubości połoki 50 µm. Eksperyment przeproadzono przy ciśnieniu atmosferycznym dla cieczy o temperaturze przechłodzenia na locie T=50 75 K oraz trzech gęstości 39

strumienia masy 100, 00 i 300 kg/m s. W przypadku połoki poroatej ykonanej z tlenkó aluminium uzyskano zrost krytycznego strumienia ciepła o ok. 5% dla cieczy o przechłodzeniu rónej T=75 K, natomiast dla połoki ykonanej z tlenkó tytanu otrzymano zrost krytycznego strumienia ciepła o 0% porónaniu do rurki gładkiej dla trzech gęstości strumienia masy. Ponadto Sarar i in. stierdzili, że zrost krytycznego strumienia ciepła zależał od grubości arsty poroatej, średnicy ziarna oraz od przechłodzenia cieczy i był yższy dla połok o średnicy ziarna 5-10 µm i grubości 50 µm oraz temperatury przechłodzenia ynoszącej T=75 K. Jak ynika z przeglądu literatury, zastosoanie połoki poroatej przypadku rzenia przepłyie przyczynia się do ziększenia spółczynnika przejmoania ciepła jak rónież ziększenia oporó przepłyu. Ponadto połoka poroata modyfikuje dynamikę krytycznego strumienia ciepła. 40

4. TEZA PRACY Rozinięcie enętrznej poierzchni rurki przez nałożenie metalicznej połoki poroatej przy rzeniu przepłyie czystych i zaolejonych czynnikó chłodniczych: intensyfikuje przejmoanie ciepła, nie pooduje zrostu oporó przepłyu. 41

5. CEL I ZAKRES PRACY Cele naukoe pracy obejmoały: 1. określenie płyu połoki poroatej na średni spółczynnik przejmoania ciepła oraz spadek ciśnienia podczas rzenia przepłyie ybranych czynnikó chłodniczych i ich mieszanin z olejem,. testoanie ybranych korelacji do obliczania spółczynnika przejmoania ciepła, 3. propozycja łasnego rónania korelacyjnego dla rzenia czynnikó chłodniczych rurkach z połoką poroatą. Cel utylitarny pracy dotyczył: 1. opracoania sposobu ytarzania rurki intensyfikującej przejmoanie ciepła przy rzeniu z połoką poroatą na jej poierzchni enętrznej. Jak ynika z przedstaionego przeglądu literaturoego (rozdz. 3.) praktyce laboratoryjnej są stosoane rurki z połoką poroatą na enętrznej poierzchni. Ich długość najczęściej ynosiła 1 m, a arsta poroata ykonyana była metodą spiekania, która jest bardzo złożona, a jednocześnie nie uzyskuje się arsty poroatej o rónomiernej grubości, co może być trudną do identyfikacji przyczyną niestabilności hydrodynamicznych []. W pracy podjęto próbę opracoania łasnej technologii ytarzania rurek o technicznej długości od 0, do 5 m, bazując na znanej technologii spaania rur oraz łasnych dośiadczeniach z nanoszeniem połok poroatych metodą natryskiania cieplnego na płyty i poierzchnie cylindryczne [3, 33]. Zakres pracy obejmuje badania czynnikó chłodniczych R, R134a, R407C rzących poziomych rurkach ykonanych ze stali nierdzenej, o enętrznej poierzchni gładkiej oraz z metaliczną połoką poroatą. Badania przeproadzono dla technicznie czystych czynnikó chłodniczych jak rónież z dodatkiem oleju poliestroego FUCHS Resniso/Tryton SEZ 3 przy masoym udziale oleju z czynnikiem ynoszącym odpoiednio, 1%, 5%. 4

Wybór freonu R ynika z faktu, że literaturze istnieje duża baza danych eksperymentalnych, z którymi można porónać yniki łasne celu spradzenia zastosoanej aparatury oraz procedury pomiaroej. Z kolei przyjęcie do badań czynnikó chłodniczych R134a oraz R407C podyktoane jest tym, że czynniki te, jako bardziej przyjazne środoisku, stosoane są jako zamienniki freonu R [13, 113]. Badania rurce gładkiej zostały przeproadzone przede szystkim celu zorcoania stanoiska, między innymi przez porónanie łasnych ynikó z obliczeniami przeproadzonymi za pomocą ybranych korelacji, zaróno na spółczynnik przejmoania ciepła jak i spadek ciśnienia, a także celu uzyskania poziomu odniesienia dla badań z rurką z połoką poroatą. Jak podaje Thome [113] standardoa koncentracja środka smarnego (oleju) instalacjach chłodniczych ynosi od 0,5% do 3%, zależności od rodzaju sprężarki, a także zastosoania lub nie separatora oleju. Z drugiej strony, dotychczasoe badania skazują, że nieielka ilość środka smarnego, do ok. 3% - [113], pooduje ziększenie spółczynnika przejmoania ciepła, natomiast yższa koncentracja środka smarnego pooduje jego obniżenie. Stąd zaplanoano przeproadzenie eksperymentó z masoym udziałem środka smarnego 1%, celu potierdzenia lub nie, tendencji zrostu spółczynnika przejmoania ciepła przy koncentracjach oleju mniejszych od 3% oraz badań z koncentracją oleju 5%, przy której poinno nastąpić pogorszenie się przejmoania ciepła porónaniu do technicznie czystego czynnika przy tych samych parametrach termiczno-przepłyoych. Z dotychczasoych opublikoanych badań ynika rónież [35], że jakakoliek domieszka oleju smarnego pooduje zrost spadkó ciśnienia. Podczas badań gęstość strumienia masy badanego czynnika zmieniała się od 00 do 650 kg/m s przy średniej temperaturze paroania czynnika ok. 0 C, natomiast stopień suchości na locie ustalono na 0 a na ylocie 0,7. 43