View
12
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Dariusz MikielewiczDariusz MikielewiczPolitechnika GdaPolitechnika Gdańńskaska
WydziaWydziałł MechanicznyMechaniczny
Katedra Techniki CieplnejKatedra Techniki Cieplnej
WYMIANA CIEPWYMIANA CIEPŁŁA PRZY ZMIANACH STANU A PRZY ZMIANACH STANU SKUPIENIASKUPIENIA
WYKWYKŁŁAD 8AD 8
Wymiana ciepła podczas wrzeniaPrzejście 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 sięfazy, takich jak zanieczyszczenia w cieczy, rozpuszczone gazy, cząstki promieniowania bądź fluktuacje gęstości lub nierówności na ściance.
Wymiana ciepła podczas wrzeniaAnaliza wykazała, iż praca tworzenia się pęcherzyków parowych jest mniejsza dla nierówności powierzchni jak dla zarodków istniejących w objętości cieczy, stąd teżfaza parowa tworzy się z reguły na ściance, do której doprowadza się ciepło.
Zagadnienia wrzenia, podobnie jak zagadnienia konwekcji w jednej fazie dzielą sięw 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 siębłona 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.
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
pv - ciśnienie fazy parowej,pL - ciśnienie fazy ciekłej,σ - napięcie powierzchniowe,R - promień pęcherzyka sferycznego,
2R
ppp Lvσ
=−=Δ
Z powyższych zależności wynika, że temperatura nasycenia wewnątrz pęcherzyka parowego TR,v będzie wyższa od temperatury nasycenia fazy ciekłej lub temperatury nasycenia nad płaską powierzchnią Tv. Poszukiwane przegrzanie będzie więc wynosić ΔT = TR,v-Tv
Nasycone wrzenie w objętości
Wrzenie przechłodzone: Tl<Tsat
Wrzenie nasycone: Tl>Tsat
para
Ciało stałe
cieczpęcherze parowe
Doświadczenie Nukiyamy
drucik platynowy, q, ΔTe=Tw-Ts
Para wodna, p=1 atm
Woda, Ts
Stanowisko Nukiyamy do pokazania procesu wrzeniaw objętości kontrolując strumień ciepła
Powstawanie pęcherzyków parowych(a) obszar pojedynczych pęcherzyków
(b) obszar korków i kolumn (strugi parowe)
(c) Obszar wrzenia błonowego
Wyidealizowane strugi parowe
Krzywa wrzenia– Nukiyama (1934)
Kontrolowany strumień ciepła Kontrolowana temperatura powierzchni
AB – Konwekcja jednofazowa
BC – Wrzenie pęcherzykowe
CF – Wrzenie przejściowe
FDE – Rozwinięte wrzenie błonowe
Krzywa wrzeniaKrzywa wrzenia
Δ T
q
parowanie wrzenie
pęcherzykowe
wrzenie blonowe
q
q P
K
K
P kr
kr 2
1 1
2
1
2
10 10 10 10 10
0 1 2 3 4 -1 10
Kryzys wrzenia pierwszego Kryzys wrzenia pierwszego rodzaju:rodzaju: przejprzejśście wrzenia cie wrzenia
ppęęcherzykowego w przepcherzykowego w przepłływ yw bbłłonowyonowy
PoczPocząątek wrzenia (tzw. zerowy tek wrzenia (tzw. zerowy kryzys wrzenia):kryzys wrzenia): przejprzejśście z 1F w cie z 1F w
2F wrzenie p2F wrzenie pęęcherzykowecherzykowe
Kryzys wrzenia drugiego rodzaju:Kryzys wrzenia drugiego rodzaju: odejodejśście cie od struktury bod struktury błłonowej i powronowej i powróót do wrzenia t do wrzenia
ppęęcherzykowegocherzykowegoPunkt Punkt LeidenfrostaLeidenfrosta
α
q
Correlations for pool boiling (αPB)
Cooper (1984)
( ) 67.05.055.0ln4343.012.0 )(ln434.055 qwMpp rR
rPBp −−− −=α (18)
uogólniony model Cooper’a
( ) 3/25.055.012.0 )(ln qwMpAAp rrPB−−−=α (19)
Gorenflo(1989)133.0
0 ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
po
pnf
PFoPB RR
qqwFαα (20)
r
rrrPF p
pppF
−++=
15.22.1 27.0
(21)
3.03.09.0 rpnf −= (22)
PrzepPrzepłływ dwufazowy yw dwufazowy nieadiabatycznynieadiabatyczny
. .
.
. .
.
.
.
.
. .
.
.
.
.
. .
.
.
. .
.
.
.
.
. .
.
.
. . .
.
.
kierunek przepływu
wymiana ciepła
przez konwekcję
wrzenie
rozwinięte
wrzenie przechłodzone
wymiana ciepła
przez konwekcję
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 )
Przepływ cieczy niedogrzanej
o temperaturze nasycenia przy
ściance (brak pęcherzyków pary)
Przepływ cieczy niedogrzanej
do temperatury nasycenia
(brak pęcherzyków pary)
Podczas przepPodczas przepłływu:ywu:
zmienia sizmienia sięę masowa zawartomasowa zawartośćśćfazy parowej fazy parowej xx wzdwzdłłuużż kanakanałłu,u,
zmienia sizmienia sięę stopiestopieńń zapezapełłnienia nienia kanakanałłu,u,
zmienia sizmienia sięę lokalny wsplokalny wspóółłczynnik czynnik przejmowania ciepprzejmowania ciepłła przy a przy śściance.ciance.
Struktury przepStruktury przepłływu dwufazowegoywu dwufazowego
ppęęcherzykowycherzykowy mgmgłłowyowy
korkowykorkowy pierpierśścieniowycieniowy
Struktury przepStruktury przepłływu dwufazowego, ywu dwufazowego, q=varq=var
dudużża wartoa wartośćśćstrumienia cieplnegostrumienia cieplnego
śśrednia wartorednia wartośćśćstrumienia cieplnegostrumienia cieplnego
mamałła wartoa wartośćśćstrumienia strumienia cieplnegocieplnego
wodawoda
qqww=90 kW/m=90 kW/m22 25 7. /m kg m s=&
PoczPocząątek wrzenia nasyconegotek wrzenia nasyconego
Alkyl (8Alkyl (8--16) C=300ppm16) C=300ppm
RozwiniRozwinięęte wrzenie nasyconete wrzenie nasycone
wodawoda Alkyl (8Alkyl (8--16) C=300ppm16) C=300ppmqqww=90 kW/m=90 kW/m22
25 7. /m kg m s=&
Kryzys wrzenia I rodzaju Kryzys wrzenia I rodzaju -- dryoutdryout
wodawoda Alkyl (8Alkyl (8--16) C=300ppm16) C=300ppmqqww=90 kW/m=90 kW/m22
25 7. /m kg m s=&
Korelacje empiryczneKorelacje empiryczne
Korelacje oparte na parametrze Martinellego Xtt
Xx
xttv
l
l
v=
−⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
1 0 9 0 5 0 1. . .ρρ
μμ
( )b
tt
l
tp Xa=αα
Schrock & Grossman: a'=7400, b=0.66 & m = 0.00015
Collier & Pulling: a'=6700, b=0.66 & m = 0.00035
Dengler & Addoms: a=3.5 i b=-0.5,
Guerrieri & Talty a=3.4 i b=-0.45
( )[ ]b
tt
l
tp XmBoa += 'αα
2
1 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
l
Pb
l
TPb
αα
αα Kutateladze
IstniejIstniejąące metodyce metody
cbPbTPB FS ααα +=
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!
Modyfikacja korelacji Modyfikacja korelacji -- 20062006
zSM f
xxxf
R1
33/1
1
1)1(1121 +−⋅⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+=−
276.0
11
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+= −REF
PBSM
REF
TPB
pR
αα
αα ( ) dc
Lb
SM BoRaP Re1−= −
( )
2
65.06.017.1376.0
1Re1053.211
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−×++= −
−−−
REF
PB
SMSM
REF
TPB
RBoR
αα
αα
2/3
1 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
G
L
pGL
pLG
LO
GO
z cc
fλλ
μμ
αα
L
G
G
L
LO
GO
dzdpdpdp
fρρ
μμ
4/1
1 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=
Recommended