wymiana ciepła przy zmianach stanu skupienia wykład 8
advertisement
WYMIANA CIEPŁA PRZY ZMIANACH STANU SKUPIENIA WYKŁAD 8 Dariusz Mikielewicz Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Techniki Cieplnej 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. 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. 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 Δp = p v − p L = pv pL σ R 2σ R - ciśnienie fazy parowej, - ciśnienie fazy ciekłej, - napięcie powierzchniowe, - promień pęcherzyka sferycznego, 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 para ciecz pęcherze parowe Ciało stałe z Wrzenie przechłodzone: Tl<Tsat z Wrzenie nasycone: Tl>Tsat Doświadczenie Nukiyamy Para wodna, p=1 atm Woda, Ts drucik platynowy, q, ΔTe=Tw-Ts Stanowisko Nukiyamy do pokazania procesu wrzenia w objętości kontrolując strumień ciepła Wizualizacja wrzenia w doświadczeniu Nukiyamy 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 α Krzywa wrzenia Początek wrzenia (tzw. zerowy kryzys wrzenia): przejście z 1F w 2F wrzenie pęcherzykowe q parowanie q wrzenie kr kr -1 wrzenie blonowe pęcherzykowe P K1 1 q 10 q P 2 10 0 10 Kryzys wrzenia pierwszego rodzaju: przejście wrzenia pęcherzykowego w przepływ błonowy K2 2 1 10 2 1 Kryzys wrzenia drugiego rodzaju: odejście od struktury błonowej i powrót do wrzenia pęcherzykowego Punkt Leidenfrosta 10 3 10 4 ΔT Correlations for pool boiling (αPB) Cooper (1984) 0.12−0.4343ln Rp αPB = 55pr (− 0.434ln pr )−0.55M −0.5(qw)0.67 uogólniony model Cooper’a α PB = AAp 0.12 r (− ln pr ) −0.55 M −0.5 (qw) 2/3 (19) (18) Gorenflo(1989) α PB ⎡ qw ⎤ = α o FPF ⎢ ⎥ ⎣ q0 ⎦ nf ⎡ Rp ⎤ ⎢ ⎥ R ⎢⎣ po ⎥⎦ 0.133 F PF = 1 .2 p r0.27 + 2 .5 p r + nf = 0 . 9 − 0 . 3 p r0 .3 (20) pr 1 − p r (21) (22) Przepływ dwufazowy nieadiabatyczny Podczas przepływu: ¾ zmienia się masowa zawartość fazy parowej x wzdłuż kanału, wymiana ciepła przez konwekcję . . . ¾ zmienia się stopień zapełnienia kanału, ¾ zmienia się lokalny współczynnik przejmowania ciepła przy ściance. . wrzenie Przepływ fazy parowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . rozwinięte 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) kierunek doprowadzania ciepła (promieniowy wzdłuż długości kanału 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 Przepływ cieczy niedogrzanej do temperatury nasycenia (brak pęcherzyków pary) kierunek przepływu Struktury przepływu dwufazowego pęcherzykowy mgłowy korkowy pierścieniowy Struktury przepływu dwufazowego, q=var duża wartość strumienia cieplnego średnia wartość strumienia cieplnego mała wartość strumienia cieplnego Kryzys wrzenia w przepływie DNB (PWR) Dryout (CANDU) Początek wrzenia nasyconego woda Alkyl (8-16) C=300ppm qw=90 kW/m2 m& = 5.7 kg / m 2 s Rozwinięte wrzenie nasycone woda qw=90 kW/m2 m& = 5.7 kg / m s 2 Alkyl (8-16) C=300ppm Kryzys wrzenia I rodzaju - dryout woda qw=90 kW/m2 m& = 5.7 kg / m s 2 Alkyl (8-16) C=300ppm Korelacje empiryczne Korelacje oparte na parametrze Martinellego Xtt α = a( X α ⎛ 1− x⎞ X tt = ⎜ ⎟ ⎝ x ⎠ tt ) ⎛ ρv ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ρl ⎠ 0.5 ⎛ μl ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ μv ⎠ 0.1 Dengler & Addoms: a=3.5 i b=-0.5, b tp 0.9 Guerrieri & Talty a=3.4 i b=-0.45 l α = a ' [Bo + m( X α ) ] Collier & Pulling: b tp tt Schrock & Grossman: a'=7400, b=0.66 & m = 0.00015 l ⎛α ⎞ α ⎟⎟ = 1 + ⎜⎜ α ⎝α ⎠ TPb Pb l l 2 Kutateladze a'=6700, b=0.66 & m = 0.00035 Istniejące metody α TPB = S α Pb + F α 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! Modyfikacja korelacji - 2006 RM − S α f = α GO 1z LO ⎡ ⎞ ⎤ ⎛1 1 = ⎢1 + 2⎜⎜ − 1⎟⎟ x ⎥ ⋅ (1 − x)1 / 3 + x 3 f 1z ⎢⎣ ⎠ ⎥⎦ ⎝ f1 μ c ⎛λ ⎞ ⎜ ⎟ = μ c ⎜⎝ λ ⎟⎠ G pL L L pG G α TPB 1 ⎛ α PB 0.76 ⎜⎜ = RM − S + α REF 1 + p ⎝ α REF ⎛ dp ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ dp ⎠ ⎝ f = ⎛ dp ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ dz ⎠ 3/ 2 GO 1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2 ⎛μ = ⎜⎜ ⎝μ L G ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 1/ 4 ρ ρ G L LO P = a(RM − S − 1) Re cL Bo d b ⎛ α PB α TPB 1 0.76 ⎜ = RM − S + − 0.65 ⎜ −3 1.17 0.6 α REF 1 + 2.53 × 10 Re Bo (RM − S − 1) ⎝ α REF ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2
