INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ

BIULETYN INFORMACYJNY
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
POLITECHNIKI WARSZAWSKIE!
Nr
NOWOWIEJSKA 25
TEŁ. 215021 w. 32 i 48
WARSZAWA
lipiec
9/K.T.M.C.9
i967
Dr i n ż . Wiesław Rybka
Katedra T e o r i i Maszyn
Cieplnych.
BADANIE I ANALIZA
OPTYMALNYCH WARUNKÓW WYMIANY CIEPŁA PRZY WRZENIU
WODY ZE SKŁADNIKIEM ORGANICZNYM
Wykaz
Τ
T
r
ДТ,
-temperatura
- temperatura
^krl
nasycęjiia
- r ó ż n i c a temperatur powierzchni
i wrzącej
q
oznaczeń
- strumień
U
cieczy
pierwszego
kcal/hm
wrzenia
- średnica pęcherzyka w momencie
od powierzchni
' max
2
2
oderwania
grzejnej
- średnica pęcherzyka h i e ż ą c a w
- czas wzrostu
C
kcal/hm
cieplny
- strumień cieplny w warunkach
kryzysu
grzejnej
czasie
pęcherzyka
mm.
m
mm.
m
sek,
h
- czas wzrostu pęcherzyka do momentu
oderwania
ata
Ρ
- ciśnienie
X
- s t ę ż e n i e s k ł a d n i k a organicznego w w o d z i e
c
et
- współczynnik przejmowania
ciepła
kcal/hm2
°C
-
współczynnik przewodności cieplnej
-
dynamiczny współczynnik
*gA
-
ciężar właściwy pary składnika org.
kG/m 3
r
—
ciepło parowania składnika
kcal/kg
Nu
-
l i c z b a Nusselta
Sc
-
l i c z b a Schmidta
£
A
Pr
liczba
cieczy
koal/hm
dyfuzji
kg/m,
organicznego
Prandtla
-
współczynnik kinematyczny
-
ciężar właściwy
-
gęstośó pary
kg/m 3
<?c
-
gęstość
kg/m 3
r
-
ciepło parowania
-
napięcie powierzchniowe
β
-
kąt
ΔίΓ
А
-
moduł napędowy
'o
c
°C
h
lepkości
m2/h
cieczy
kG/m 3
cieczy
cieczy
kcal/kg
cieczy
kG/m
zwilżalności
<°
dyfuzji
1.
W s t ę p
Omówione n i ż e j badania stanowią kontynuację prac dotychczas przeprowadzonych
(i),
które dały szereg informacji o
przebiegu zjawiska-wymiany ciepła przy wrzeniu wody ze składnikiem organicznym. Ustalono wówczas między innymi,
ją tzw. stężenia optymalne,
przy których wartości
że istnie-
strumienia
cieplnego w warunkach pierwszego kryzysu wrzenia są najwięks z e ; W stężeniach tych ma miejsoe najmniejsze tempo wzrostu
pęcherzyków. Wielkość odrywająoyeh się od powierzchni
grzej-
nej pęcherzyków j e s t także w tym przypadku n a j m n i e j s z a .
nadto zaobserwowano,że
Po-
zjawisko optymalnych warunków wymiany
ciepła w pewnym określonym stężeniu zachodzi nie tylko na drucie platynowym, ale także na płaskiej stalowej
powierzchni
grzejnej.
Celem poprzednich badań było zebranie informacji
czalnych o zjawisku,
rze,
doświad-
których to danych było brak w literatu-
co uniemożliwiało dotychczas podjęcie próby
teoretycznego
wyjaśnienia przyczyn powstawania stężenia optymalnego.
przeprowadzone w ramach poprzedniej-pracy dotyozyły
atmosferycznego.
Okazało się jednak,
Badania
ciśnienia
że zakres zmienności sta-
- 3 łych fizycznych i liczb bezwymiarowych przy ciśnieniu
rycznym j e s t .stosunkowo n i e w i e l k i ,
atmosfe-
co uniemożliwiało podję-
cie starali dla teoretycznego uogólnienia wyników. Z tego względu rozszerzono badania, eksperymentalne i przeprowadzono
przy ciśnieniach wyższych od atmosferycznego,
tj.
je
i - 25 ata
dla uzyskania większego zakresu zmienności wszystkich tych parametrów, które mają istotny wpływ na wyjaśnienie warunków
fizykalnych powstawania zjawiska stężenia optymalnego,
określenia, zależności uogólnionych wymiany ciepła i
oraz
zależno-
ści określającej wartość strumienia cieplnego w warunkach pierwszego kryzysu w r z e n i a .
Stosunkowo ozęste występowanie wymiany ciepła przy wrzeniu w różnych urządzeniach technicznych,
skłoniły do przepro-
wadzenia odpowiednich badań eksperymentalnych oraz do podjęcia próby wyjaśnienia fizykalnych warunków powstawaniä omawianego
zjawiska.
2 . Dotychczasowe osiągnięcia z dziedziny wymiany ciepła
wrzeniu wody ze składnikiem
przy
organioznym
Zjawisko wzrostu wartości strumienia cieplnego oraz współczynnika przejmowania ciepła w warunkach pierwszego kryzysu
wrzenia cieczy dwuskładnikowej ponad wartości
czystych składników j e s t znane od około 15 l a t .
( 4 ) oraz Bonilla i Perry
«
Zostało ono
stwierdzone najwcześniej przez B o n i l l a ' e g o i Eisenberga
badania prowadzili również Kirschbaum ( 3 ) ,
d1
^ r j
Ciche11i i
(2);
BoniIIa
(5).
Najbardziej systematyczne przebadanie wpływu koncentracji
na maksymalne wartości strumieni cieplnych w warunkach pierwszego kryzysu wrzenia zostało dokonane w pracach Van Vosa i
Van Strahlena
(6),
którzy jednak,
poza zebraniem
częściowych
informacji eksperymentalnych o .zjawisku dla kilku mieszanin
wody i składników organicznych,
nego wyjaśnienia z j a w i s k a .
nie podjęli próby
teoretycz-
Podobnie w nowszyoh badaniach nad
tym zagadnieniem przeprowadzonych przez J . H o v e s t r e i d t a
(7)
rozszerzono jedynie zakres doświadczeń z częściowym uwzględnieniem zmian napięcia powierzchniowego,- jednak bez przebadania wpływu na zjawisko zmian stałych fizycznych przy różnych
- 4 składnikach organicznych i stężeniach oraz nie
przeprowadzo-
no rozważań teoretycznych. Dotyczy to również prac
chardsona
( 8 ) oraz Pang Sheng Li
J.F.Ri-
(9).
Słabą stroną informacji zawartych w wymienionych pracach
jest to,
że są one niepełne,
zwłaszcza j e ż e l i chodzi o prze-
badanie zjawisk towarzyszących,
istotnych dla zagadnienia wy-
miany ciepła przy w r z e n i u . Nie uwzględniają one danych odnośnie przebiegu zależności wymiany ciepła, wpływu zmian stężenia na dynamikę wzrostu pęcherzyków,
zmian napięcia powierzch-
niowego kąta zwilżalności i t p . Wyniki uzyskane przez w . w . autorów dotyczą jedynie eksperymentów prowadzonych przy niskich
ciśnieniach poniżej kilku atmosfer,
niewystarczające
z tego względu są
one
dla przeprowadzenia dociekań teoretycznych ze
względu na małą zmienność parametrów wpływających na zjawisko.
Niezależnie
od tego odczuwa się brak w literaturze
danych o
stałych fizycznych dla mieszanin wody ze składnikami
organicz-
nymi, dotyczy to współczynników przewodzenia ciepła,
dyfuzji,
prężności par i napięcia
powierzchniowego.
Powyżej opisany stan niedostatecznych danych eksperymentalnych dotyczących omawianego zjawiska stanowi przyczynę nieuzyskania dotychczas teoretycznego w y j a ś n i e n i a , . j a k
również
nieustalenia uogólnionych równań wymiany c i e p ł a . Pewne fragmentaryczne próby teoretycznych opracowań zostały
ne przez L . N . G r i g o r i e w a
( 1 0 ) oraz A.G.Usmanowa
opublikowa-
(ii).
Nie
uwzględniają one zmian pod wpływem stężenia takich wielkości
j a k : n a p i ę c i a powierzchniowe,
zwilżalność,
dyfuzja,, szybkość
wzrostu pęcherzyków. Są to zależności uproszczone,
nie uwzględ-
niające również szczególnych warunków wymiany ciepła w stężeniach optymalnych. Podobnie najnowsze badania Hovestreidta
i Van Strahlena
( 1 2 ) podają wyniki fragmentaryczne bez uwzglę-
dnienia zjawisk towarzyszących,
dotyczących dynamiki wzrostu
pęcherzyków.
3 . Cel i zakres badań
Badania n i n i e j s z e stawiają sobie za cel zebranie
danych
eksperymentalnych o zjawisku w zakresie umożliwiającym stwierdzenie czy może być ono stosowane w technice oraz
zebranie
- 5 tych danych eksperymentalnych,
które umożliwiłyby
podjęcie
próby teoretycznego u j ę c i a zagadnienia i opracowania uogólnionych równań wymiany ciepła i określania wartości
strumie-
nia cieplnego w warunkach pierwszego kryzysu wrzenia,
jak rów-
nież wyjaśnienia przyczyn powstawania warunków optymalnej wymiany ciepła przy pewnych stężeniach składnika
organicznego
w wodzie.
Do badań przyjęta została grupa związków
organicznych,
które to związki po wprowadzeniu do wody przy pewnym stężeniu
powodują znaczne zwiększenie wartości strumienia cieplnego w
porównaniu z tymi wielkościami dla czystych składników.
Przy
wyborze substancji organicznych przeznaczonych do badań brano
pod uwagę ich właściwości pod względem wielkości
omawianego
e f e k t u . Badania przeprowadzone poprzednio wykazały,
że nie-
które substancje organiczne przedstawiają się mniej
interesu-
jąco z punktu widzenia wymiany c i e p ł a . Do badań przyjęto
staw substancji organicznych,
posiadających
zę-
najsilniejsze
własności zwiększania wartości strumienia cieplnego,
a mia-
nowicie keton metyloetylowy o wzorze CHgCO C2EL· i temperaturze wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym 7 9 , 6 C, alkohol butylowy IV r z .
o wzorze С^Н^ОН i temperaturze wrzenia przy
nieniu atmosferycznym 8 2 , 5 ° C ,
ciś-
alkohol η-propylowy o wzorze
CHgCHgCHgOH i temperaturze wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym 9 7 , 2 ° C oraz alkohol metylowy o wzorze CHgOH i temperaturze wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym
64,7°C.
Mając na względzie uzyskanie danych eksperymentalnych zarówno dla potrzeb
technicznych jak i dla rozważań teoretycz-
nych badania przeprowadzono przy ciśnieniach 1 ata,
10 a t a ,
15 ata i 25 a t a . ,
co pozwala na uzyskanie
zakresu zmienności wielkości
Pomiarami doświadczalnymi
opisujących
cieplny,
znacznego
zjawisko.
objęto zmiany pod wpływem do-
datku składnika organicznego takich wielkości jak
przegrzanie powierzchni g r z e j n e j ,
pęcherzyków,
5 ata,
strumień
szybkość wzrostu
czas wzrostu pęcherzyków do momentu oderwania
oraz niektórych stałych
fizycznych.
Badania eksperymentalne prowadzono na drucie
pracującym jako grzejno oporowy oraz na płaskiej
platynowym,
powierzchni
stalowej dla uzyskania wyników z ewentualnym przeznaczeniem
- 6 dla zastosowań technicznych.
Doświadczenie prowadzono głównie
w obszarze stężeń optymalnych. Natomiast pod względem teoretycznym praca zakreśla sobie znalezienie modelu
fizykalnego
powstawania optymalnych warunków wymiany ciepła oraz ustalenia uogólnionych równań wymiany c i e p ł a . Badania
no na urządzeniu
opisanym przez autora
przeprowadzo-
( i ) . Urządzenie to zo-
stało dodatkowo wyposażone dla prowadzenia badań przy
ciśnie-
niu 25 a t a .
4.
Wyniki pomiarów dotyczące wielkości
strumieni
cieplnych i przegrzań powierzchni grzejnej
tj.q;ATY
Przeprowadzone pomiary dotyczyły głównie tych zakresów
stężeń, w których występują warunki optymalnej wymiany
przy ciśnieniach i ,
5,
10,
ciepła
15 i 25 a t a .
W celu ustalenia wyżej wymienionych zakresów stężeń dokonano pomiarów q b r I dla wody z poszczególnymi składnikami organicznymi i przy wyżej podanych c i ś n i e n i a c h . Nie określono w
tym przypadku tzw. krzywych wrzenia,
lecz
jedynie wartości q ^ ,
tj.
zależności q=f( Δ Τ
doprowadzając n a j c z ę ś c i e j
),
do
przepalenia g r z e j n i k a . Ustalenie maksymalnej wartości
qkrI
pozwala n a j l e p i e j wyznaczać stężenia optymalne. Wyniki tych
pomiarów podają rysunki i ,
2.
Określone w ten sposób
stężeń,w których zawierały się stężenia optymalne,
stępnie poddane bliższemu przebadaniu,
czeniu eksperymentalnych przebiegów
zakresy
zostały na-
polegającemu na wyzna-
q = f ( Δ Τ χ ) z dokładnością
stężeń co 1 % .
Dla dokładniejszego określenia stężeń optymalnych,
dokładnością do 0,1%
tj.
wykonano dodatkowe pomiary q f c r I ,
z
korzy-
stając z u ś c i ś l e n i a zakresów optymalnych uzyskanych w pomiarach wyznaczających q = ΐ ( Δ Τ χ ) . Dla tak określonych stężeń
optymalnych zbadano przebiegi
q = ί(ΔΤχ)
^ dla drutu platy-
nowego. Przebiegi te podane są na rysunkach 3,
4.
W badaniach na płaskiej powierzchni stalowej
określano
również najpierw zakres stężeń b l i s k i c h stężeniu
optymalnemu
przez wyznaczanie
do 5%,
q f c r I z dokładnością stężenia
podają przykładowo rysunki 5 , 6 . Dla tak wyznaczonego
stężeń uzysk iwano zależności eksperymentalne
q = f(ΔΤ
co
zakresu
)
- 7 -
а
э
о
tí
f>»
•Ρ
te
гН
ft
Φ
•Η
з
й
о
ω
.м
CS
С
О)
•Ν
φ. Ό
•Ρ
ш κ)
s
Ό
О
•Η
•Η Й
Ο φ
SD
α
α
•Ν
<α
γ-1
S
ν
g Φ
•Η
Η Ν
5η Ό
ϋ Ο
σ< ρ
•Η ρ
ϋ
40 ο
Ο 60
-ρ .ρ
<υ
ÍH
ο
c
a
? Μ
Ρ">
Ы) -Ρ
φ α>
•η ο
α)
Ν
!ч
№
-51
δ
:<η ~
G
ι 1 I 1 <
Ο Ο <1 · Φ
- 8 -
a
3
Ρ
ιΗ
о
Л
о
Ü
о
Й
!>>
+»
св
Л
(2,
ιΗ
ιΗ
CS φ
•Н ·Η
й о
Φ 3
•Ν U
«· Ό
-Ρ
CD
CS
Й
•ø
о а
•н
•н й
О φ
V» N
О
Й
•Ν
Φ
гН
(β
N
Ρ Φ
•Η
н tg
U Ό
Ü о
Ο· Ρ
•з
F
40 Ν
о и
IΡ йо
ы
ад φ
φ ρ
•н о
•а гн
φ >>
N -Ρ
и з
Рч ,α
Przebieg zależności eksperymentalnych q=ftøT ) o p t . p r z y wrzeniu wody z ketonem metyloetylowym na drucie platynowym przy
stężeniu optymalnym
äTx.°C
Rys.3
10 Przebieg zależności eksperymentalnych q ^ f c M ^ J o p t .
przy wrze-
niu wody z alkoholem butylowym IVrz na drucie platynowym przy
ť
7
stężeniu optymalnym
'
Bys. 4
ЛТх'С
- l i ci
ад
φ
Ρ
ο
1-4
•Ρ
φ
θ
Q £ -g S S
ęj Q ϊ3
.3
.s
ε
! 8| I I I
»β
8Л
м I
I I I I I
ί-3
Φ
ο Ρ
•Ρ
φ ο
•Ы (β
-Ρ
β ED
•Η
Ö -Η
Φ β
•Ν Д
Φ· Ο
•Ρ Ν
01 h
Φ
Ό
·Η
Ο ρ
ο
•η ρ,
ο
40 1-J
Ο φ
Д Ή
•Ν Jd
Φ
α
ιΉ
α
Ρ
ο α -q ·
1-5;
·
I-«
1t. / Ί 7 S'SI ι I II
JJI I
1 ,1 J í
M i l
I
/
/lli -s
/
7
III
/ / J 1/
/ / ι JI
J / // / i у i /1
/ / 'i J
/ / /"Г
Φ
·
φ
-ч Q
·
-ч
9
о
о
1
s
-Ό
-δ
-a
β
β
Η
U 3
•Μ -Η
ο· α
Φ
Ν
ο h
40 " Ρ
Ο
-Ρ :>>
и Ν
Й U
Ρ Ρ,
60 φ
Φ ·Η
•Η Ν
,Ω Ό
φ Ο
•Η (Ε
й
tb Ρ
•S
Φ
Φ
Φ
a
Φ
φ
Φ
r»
Ч
η
-s
O n
<»
О
ю
•o,
-δ
-f
/v
^
V/
/ i V< v
/
- 12
I η
о «
Η ρ
?>» о
•Ρ г-)
а β
1ι2I8I5I «
1
ООЧ» ®
,α -Ρ
ο
Я
ο
id
Й
Д
ο
Ν
η и
43 Φ
•Η
<8 Ρ
•Η Ο
й α
φ
•Ν -1-5
Φ· φ
-Ρ ·Η
Ш id
01
ΌЯ
Ο rM
ft
•ri
О Я
40 й
о
•ЙЯ 3Ή
Φ Й
гЧ φ
Я Ν
я и
Ρ
Ρ
ř.
н ta
h h
а л
φ
•Η -и
ο Ν
sn Ό
о о
-ρ Ρ
и
Я Ρ
Ρ
Ν
Ы) h
Д fc
ρ
φ ο
Ν ьо
h Φ
№ Ρ
β
·
"T?
ο
/ ' · ' iα i ο
/ I *I Iο I ο
φ
/ Ш 1
Η
-Si
•8 ξ
&
φ
φ
· ^ ο
ο
/ / ( I I
/IUI
/ III I
' J UI
/
11 I
φ
Φ
Φ
Φ
®
/
·
«J ο
ο
·
α
ο
·
«
·
« ο
ο
Τ, Q
Ο
^
Ρ
/ / i
?
• f t
-δ
Tablica
Wrzenie na drucie
Rodzaj składnego w
woda
i
platynowym
I
Ciśnienie
5 ata
Ciśnienie
1 ata
Lp.
wodzie
q
X
opt
krl
kcal/hm
_
czysta
q
o
X
opt
1.250.000
-
krl
kcal/hm2
1.630.000
2
woda-keton
metyloetylowy
4,3%
2.640.000
6,8
3.250.000
3
woda-al.butylowy IV r z .
2,9%
2.370.000
4,6
2.780.000
4
woda-alkohol
η-propyIowy
6,9%
2.100.000
10.0
2.630.000
1.960.000
8,6
2.270.000
5,5%
woda-alkohol
metylowy
5
Lp.
q
.
X
opt
X
krl
kcal/hm
q
ept
2
krl
kcal/hm
2.040.000
i
Ciśnienie
25 ata
Ciśnienie
15 a t a
Ciśnienie
10 a t a
_
1
X
2
2.480.000
opt
q
kr I
kcal/hm
-
2
3.240.000
6.060.000
2
8,1
3.740.000
9,9
4.810.000
12,4
3
5,2
3.490.000
6,5
4.130.000
10,1
5.420.000
4
12,6
2.980.000
15,4
3.560.000
20, i
4.610.000
5
10,8
2.580.000
ii,9
3.090.000
15,2
3.980.000
z dokładnością do i % s t ę ż e n i a s k ł a d n i k a
organicznego,
co po-
zwalało również na wyznaczenie s t ę ż e n i a optymalnego z tą samą d o k ł a d n o ś c i ą .
Jednak dokładność ta nie mogła być w i ę k s z a ,
ponieważ w przypadku g r z e j n i k a
z płaską p o w i e r z c h n i ą
technika pomiaru j e s t mniej dokładna n i ż w przypadku
platynowego oporowo
Zestawienie
stalową
drutu
grzejnego.
głównych wyników pomiarów d l a w r z e n i a na dru
cle platynowym podaje t a b l i c a i ,
powierzchni stalowej
tablica
2.
a d l a w r z e n i a na p ł a s k i e j
- 14 -
Tablica 3
Wrzenie na p ł a s k i e j
powierzchni
stalowej
•
Ci £n i e n i e
1 ata
Rodzaj składn i k a organicznego w wodzie
Lp.
X
q
opt
Ciśnienie
5 ata
krl
X
kcal/hm
o
q
opt
krl
kcal/hm
2
1
woda
2
woda-keton
metyloetyIowy
4,0%
2.300.000
3
7,0
woda-alkoh.
butylowy IV rz
2.660.000
3,0%
czysta
1.100.000
1.510.000
2.200.000
4
5,0
2.390.000
woda-alkohol
n-propylowy
7,0%
1,900.000
10.0
2.130.000
5
woda-alkohol
metylowy
5,0%
1.450.000
9,0
1.910.000
Ci ś n l e n i e
i 0 ata
Lp.
X
q
*
opt
krl
kcal/hm
i
q
opt
o
krl
X
kcal/hm
1.820.000
2
ι
Ciśnienie
25 a t a
Ciśnienie
15 a t a
2
q
opt
3.120.000
10,0
krl
kcal/hm
2.130.000
8,0
V
2.960.000
4.340.000
12,0
5.420.000
3
5,0
2.880.000
6,0
3.510.000
10,0
4
13,0
4.680.000
2.470.000
15,0
2,960.000
20,0
5
11,0
4.140.000
2.230.000
12,0
2.720.000
15,0
3.590.000
Podane w tabelach w y n i k i w s k a z u j ą na z w i ą z k i zachodzące
między
g ^ ,
Okazuje s i ę ,
c i ś n i e n i e m oraz wartościami stężeń
że ze wzrostem c i ś n i e n i a rosną w a r t o ś c i
równo w przypadku
drutu platynowego,
jak i p ł a s k i e j
powierzchni.
Ponadto ze wzrostem c i ś n i e n i a
tośei stężeń
optymalnych.
5
·
Wyniki pomiarów w i e l k o ś c i
dynamikę wzrostu
Drugą grupę
q
za-
stSwej
zwiększają s i ę
war·
określających
pęcherzyków
danych eksperymentalnych s t a n o w i ą w y n i k i po-
miarów dotyczące warunków wzrostu pęcherzyków.
.
optymalnych.
Pomiarami
ob-
jęto zmiany średnic p ę c h e r z y k ó w
się od powierzchni g r z e j n e j ,
czasie do momentu oderwania
tj. Βχ = f
cherzyków w momencie oderwania,
(r,
oraz
Dp
z o s t a ł y
dofconane
zar6wno
q
flla
powierzchni
Badania w . w . wielkości prowadzone były przy
niach 1 a t a ,
miarami
i
5 ata,
Λ Τ χ
10 a t a ,
na ekranie z wyskalowaną
ciśnie-
15 ata i 25 ata równocześnie
przez naświetlanie
kich zdjęć taśm filmowych,
Pę-
stężeniach.
wrzenia na drucie platynowym jak i na p ł a s k i e j
stalowej.
średnice
t j . D p dla wody z poszczegól-
nymi składnikami organicznymi przy różnych
Pomiary Β χ = f ( r )
0raz
z po-
za pomocą kamery do szyb-
które były następnie
analizowane
podziałką.
Uzyskane wyniki pomiarów wskazują na duże zmiany w przebiegu wielkości
charakteryzujących dynamikę wzrostu
pęcherzy-
ków pod wpływem rodzaju składnika organicznego,
jego
i ciśnienia.
zachodzące
Jednocześnie wyniki te wskazują na
związki z przebiegiem zmian wartości
stężenia
q i Δ Τ χ w tych samych
warunkach. Spostrzeżenia te skłaniają do twierdzenia,
że wy-
j a ś n i e n i a zjawiska s t ę ż e n i a optymalnego należy szukać w warunkach najpowolniejszego wzrostu pęcherzyków w tym s t ę ż e n i u .
Ważniejsze wyniki z przeprowadzonych badań dynamiki wzrostu
pęcherzyków w stężeniach optymalnych przy wrzeniu na drucie
Platynowym i na płaskiej powierzchni stalowej podają tablice
3 i 4.
Na podstawie pomiarów okazuje s i ę ,
że
w stężeniach opty-
malnych wzrost pęcherzyków jest najpowolniejszy
pęcherzyków w momencie o d e r w a n i
najmniejsze,
^
oraz średnice
powierzchni grzejnej
co ma miejsce zarówno przy wrzeniu na drucie pla-
tynowym jak i na płaskiej powierzchni
stalowej.
Równocześnie w stężeniach optymalnych ma miejsce
sza wartość
są
qfcrI,
najwięk-
przy czym zjawiska te nakładają się
wszystkich przypadkach.
Przeprowadzone badania wykazują
także
że pod wpływem stężenia i c i ś n i e n i a ulega zmianom czas wzrostu pęcherzyka do momentu oderwania od powierzchni
grzejnej
- 16 -
Tablica 3
Wrzenie na d r u c i e platynowym
Lp.
Ciśnienie
Rodzaj
składnika
organicz.
Stęż.
optym.
%
1
woda czysta
2
woda-keton
metyloetylowy
3
woda- al-butyl.
•
IV r z
4
woda-alkohol
n-propylowy
5
woda-alkohol
metylowy
Ciśnienie
1 ata
V ś r
mm
r
Stęż.
1 / 3 0 0 0 optym.
%
sek
D
śr
P
mm
5 ata
r
1/3000
sek
4 ,2
55
-
3,7
48
i ,4
12
6,8
1,2
10
2
18
4,6
1,8
16
9
2.2
25
10,0
1,9
22
5, 5
2 ,5
32
8,6
2,2
28
-
3
2, 9
>
Lp.
Stęż.
optym
%
D
pśr
f
mm
3000Śek
-
2,8
37
2
8,1
1,2
3
5,2
4
5
i
1
Ciśnienie
25 ata
Ciśnienie
15 а+я
Ciśnienie
10 ata
Stęż.
optym
%
D
pśr
mm
3000Sek
Stęż.
optym
%
D
pśr
mm
r
1
3000Sek
0,9
12
12,4
0,3
3
10
10,1
0,4
4
i. 2
14
20,1
0,5
5
i, 4
18
15,2
0,5
7
-
2, 3
8
9, 9
o. 8
1,3
12
6, 5
1, i
12,6
1,5
17
15,4
10,8
Μ
21
li
9
Г
30
6,0
-
Tablica 1
Wrzenie na płaskiej powierzchni stalowej
Ci^nienjje 1 ata
Rodzaj
składni ka
organio z.
Lp.
Γ
Stęż.
"pár
1/3000
opt.
sek
mm
Ciśnienie
β
Stęż,
opt,
*
5 ata
mm
г
1/3000
sek
"pár
ß
1
woda czysta
-
4,5
58
51°
-
3,9
53
49°
2
woda-keton
metyloetyl •
4,0
2,0
15
23°
7
1,7
14
22°
3
woda-al.
butyl. IV rz.
3,0
20
28°
5
2,1
18
26°
4
woda-alkoh,
η-propyIowy
7,0
2,6
28
30°
10
2,3
25
27° .
5
woda-al,
metylowy
5,0
3,0
39
36°
9
2,6
35
33°
Ciśnienie 10 ata
Γ
1
Łp. Stęż, D A
pśr
5ööö s e k ß
opt,
ШШ
*
1
-
3,0
2
-8
1,3
48°
10
20°
Ciśnienie 15 ata
Stęż,
opt,
%
-
10
Ciśnienie 25 ata
V
pár
3000sek
mm
fi
r
Stęż, U
1
pśr
opt,
3000
%
mm sek
ß
2,6
32
46°
-
1 ,0
13
42°
1,1
8
20°
12
0,4
3
19°
ł
3
5
1,6
14
25°
6
1,4
11
24°
10
0,5
4
22°
4
13
1,7
19
26°
15
1,5
15
27°
20
0,6
6
24°
5
11
2,0
27
30°
12
1,7
22
31°
15
0 ,7
9
29°
18
6 t Model fizykalny
oraz równania uogólnione wymiany
ciepła przy pęcherzykowym wrzeniu wody
ze składnikiem organicznym
Analizując wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych, można s t w i e r d z i ć ,
że optymalne warunki wymiany
ciepła
przy wrzeniu wody ze składnikiem organicznym wynikają ze zjawiska odrywania się od powierzchni grzejnej najmniejszych pęcherzyków przy stężeniach optymalnych. Wyjaśnienie więc omawianego zjawiska należy szukać w przyczynach najniższego położenia krzywej wzrostu pęcherzyka w c z a s i e ,
co ma miejsce
w stężeniu optymalnym. Określając kolejno równaniami wielkość
średnicy pęcherzyka w czasie
nienia,
D x ze względu na bilans s i ł
napięcia powierzchniowego,
ciś-
dopływ ciepła i wielkość
odparowania oraz dopływ dyfuzyjny składnika b a r d z i e j
lotnego
do powierzchni rozdziału f a z i wyliczając następnie z dwóch
ostatnich równań wartość temperatury i stężenia na powierzchni
rozdziału f a z pęcherzyka dla kolejnych wartości ciśnień i stężeń wrzącej mieszaniny
ści D
oraz dla uzyskanych z pomiaru warto-
uzyskano postać równania wynikającego z bilansu
c i ś n i e n i a i napięcia pow. określające średnice
sił
pęcherzyków
w momencie oderwania od powierzchni grzejnej w zależności od
stężenia,
podobne do przebiegów
eksperymentalnych.
Opierając się na wspomnianych rozważaniach
fizykalnego modelu zjawiska oraz na podstawie
badań fotograficznych,
dotyczących
przeprowadzonych
przyjęto wpływ d y f u z j i jako
istotny
dla przebiegu wzrostu pęcherzyków przy wrzeniu wody ze składnikiem organicznym.
Z tego względu w poszukiwaniu uogólnionej postaci równania wymiany ciepła dla omawianego przypadku wrzenia wody ze
składnikiem organicznym do rozważań-obok równań różniczkowych
ruchu masy w sąsiedztwie pęcherzyka,
ruchu cieczy i
pary,cią-
głości e n e r g i i oraz równania wymiany ciepła na powierzchni
grzejnej
o postaci
przyjęto również równanie wymiany~masy na granicy
dla składnika b a r d z i e j
lotnego
tj.
pęcherzyka
дТГА
f .
dn = - <ГА — - d r .
gA
A an
Z równań tych,
opierając
się na z a s a d z i e
stwa, uzyskano szereg modułów podobieństwa,
teorii
podobień-
wśród których je-
den nowy o postaci
-
A
>
Δπ
A
K o r z y s t a j ą c następnie
p
d
d
Α
2
τ
'
z przybliżenia
równania wykładniczego N u s s e l t a ,
funkcji
za pomocą
pomijając moduły podobień-
stwa mało istotne d l a z j a w i s k a oraz wprowadzając
rzykową l i c z b ę Reynoldsa o postaci
Re
=
p
•
«Α
q
tzw.
pęche-
Ρ—
о Γ0.
uzyska-
no równanie
Nu = с R e p ° ' 8 1 ( S c . P r ) 0 » 4 2
Aa,
.
gdzie
o£ D
'Ρ .
с
Nu =
Wartość s t a ł e j
przez naniesienie
lg
С oraz wykładnika
a
została
określona
wyników pomiarów we współrzędnych
Nu
тч-д!
η 4.9
Re
'
(Sc.Pr)'
ť
wzgl.Ig
Δ.
Uzyskano w ten sposób następującą zależność wymiany
pła dla w r z e n i a wody z badanymi składnikami
zakresie
ciśnień 1 - 2 5
С =
organicznymi w
ata oraz dla ä ,zakresu stężeń 1 - 22%
Nu = С R e ° ' 8 1 ( S c . P r ) 0 ' 4 2
Jr
gdzie
cie-
A"2'68
,
85,9.10"6·Χο~4»6,
po podstawieniu
Nu = 8 5 , Э . Ю -
6
^ -
4
»
6
^
0
'
8 1
. (Sc.Pr ) 0 , 4 2 ^ - 2 , 6 8
j
20 Zakres zmienności
liczb podobieństwa wynosi
Bep = i , 2 5 - 55,1;
So = 6 0 , 6 - 2 8 , 3 ,
Pr = i , 6 1 - 0 , 8 2
A = 402 - 1 3 , 2 .
Równanie to w najniekorzystniejszym przypadku,
sce przy c i ś n i e n i u i ata,
miast przy c i ś n i e n i u
co ma miej-
daje rozbieżność około 3 3 % . Nato-
25 ata wielkość błędu nie przekracza 12%.
7 . Równania uogólnione określające wartość
strumienia cieplnego w warunkach I kryzysu wrzenia
Stwierdzona na podstawie -niniejszych badań zależność jętka
zachodzi między wielkościami średnic pęcherzyków a wartościa-mi strumieni cieplnych w warunkach I kryzysu wrzenia wskazuje,
że w poszukiwaniu uogólnionej zależności określającej
warto-
ści strumienia cieplnego w warunkach pierwszego kryzysu wrzen i a wody ze składnikiem-organicznym zachodzi konieczność
opar-
cia się na tym z j a w i s k u . Przyjmując,
osią-
że strumień cieplny
ga wartość odpowiadającą warunkom pierwszego kryzysu wrzenia
wówczas, gdy powierzchnia grzejna j e s t pokryta pęcherzykami,
przy czym pęcherzyki stykają się ze sobą oraz zakładając,
że
odrywające się na powierzchni grzejnej pęcherzyki mają kształt
kulisty,
można napisać,
że ilość ciepła odbierana tylko przez
pęcherzyki wyniesie
S
gdzie
•
r
c
D
p3
f
?g
n
f
f - częstotliwość odrywania się
.
pęcherzyków,
η - ilość czynnych ośrodków w r z e n i a .
Z przeprowadzonych pomiarów wynika,
że ilość ciepła
przej-
mowana od powierzchni g r z e j n e j przez wrzącą ciecz przy q powyżej 80% q f c r I j e s t proporcjonalna do i l o ś c i czynnych na tej
powierzchni ośrodków w r z e n i a ,
co można napisać
- 21 W związku z tym
* -
C
q
r
f
c f V
gdzie C^ jest współczynnikiem
?g * a
'
proporcjonalności.
Opierając się na kryterium styczności pęcherzyków,
muje s i ę ,
że strumień cieplny osiąga wartość
przyj-
wówczas, gdy
pęcherzyki pokrywają powierzchnię g r z e j n ą . Wobec tego warun2
klem osiągnięcia przez strumień cieplny na powierzchni i m
wartości q^pj będzie
С
η = —2
gdy
Cn =
i.
Ρ
Warunek
= i zachodzi wówczas, gdy pęcherzyki
się nawzajem,
jednak,
dotykają
jak wykazały badania różnych autorów,
moment pierwszego kryzysu wrzenia następuje w c z e ś n i e j ,
przy wartości
nosi około 0 , 5 . Uzyskuje się po podstawieniu
С
η =-—g
D
wyrażenia
do równania poprzedniego
P
V l
gdzie
tzn.
С ц < i . Wg danych z literatury wartość C ß wy-
f =
=
C
ń ' · f * V ?« ''
q C
1
г
max
po przekształceniu
o
i
=
C P
b
n
•
Zastępując D_ wyrażeniem β λ /
' 'O " i g
określonym na pod-
stawie dánych z pomiarów oraz p r z e l i c z e ń ,
wykresie wyniki pomiarów współrzędnych
•Htrl
.
przedstawiono na
Г
logarytmicznych
iл /
ос
- 22 Pozwala to uzyskać na podstawie wyników pomiarów
zależność dla wrzenia wody z badanymi składnikami
ogólną
organiczny-
mi
1
max
Powyższa zależność spełnia wszystkie wyniki pomiarów z dokładnością do 2 4 , 6 % dla zakresu olśnień 1 - 2 5
ata i
stężeń
i ° - 22%.
8 . Wnioski końcowe
Uzyskane wyniki dotyczą wymiany ciepła przy wrzeniu pęcherzykowym wody ze składnikiem organicznym w warunkach konwekcji swobodnej. Badania zostały przeprowadzone przy różnych
ciśnieniach w zakresie i - 25 ata zarówno na drucie platynowym jak i na płaskiej powierzchni s t a l o w e j ,
j e s t powierzchnią typową w urządzeniach
gdyż ta ostatnia
technicznych.
Wyniki przeprowadzonych badań w ramach n i n i e j s z e j
praoy
pozwalają na sformułowanie następujących wniosków;
1 . Pod wpływem składnika organicznego przy pęcherzykowym
wrzeniu wody w warunkach konwekcji swobodnej następuje
zmia-
na warunków wymiany ciepła, w wyniku czego przy pewnych stężeniach ma miejsce wzrost wartości strumienia cieplnego w warunkach pierwszego kryzysu w r z e n i a .
2 . Zjawisko wzrostu krytycznego strumienia cieplnego pod
wpływem składnika organicznego w zakresie ciśnień 1 - 2 5
zachodzi nie tylko przy wrzeniu na drucie platynowym,
również przy wrzeniu na płaskiej powierzchni
ata
lecz
stalowej.
3 . Pod wpływem wzrostu ciśnienia następuje we wszystkich
przypadkach nieznaczny
wzrost wartości
stężenia
optymal-
nego.
4 . W zakresie ciśnień 1 - 2 5
ata w stężeniach optymalnych
wartości q k r I osiągają wartości maksymalne,
natomiast
ce pęcherzyków w momencie oderwania od powierzchni
są najmniejsze.
średni-
grzejnej
23 5 . Pod wpływem składnika organicznego,
ciśnienia.
przy którym przebiega w r z e n i e ,
jego stężenia
oraz
następują zmiany
w czasie wzrostu pęcherzyka do momentu oderwania od powierzchni g r z e j n e j ,
przy czym w stężeniu optymalnym czas wzrostu pę-
cherzyków do momentu oderwania od powierzchni g r z e j n e j
jest
najkrótszy.
6* We wszystkich przypadkach pomiarów stwierdzono,
szyboiej rośnie pęcherzyk w początkowej f a z i e ,
tym większą
osiąga wielkość w momencie oderwania od powierzchni
7 . Wyniki pomiarów wskazują na i s t n i e n i e
q
krl
a
D
p
d l a
P
rz
że im
grzejnej.
związku między
e b a d a n y c h składników organicznych. Dla wszy-
stkich przypadków mniejszym wartościom
D p odpowiadają większe
wartości
ata).
q^j.
(przy c i ś n i e n i a c h 1 - 2 5
8 . Strumień cieplny w warunkach pierwszego kryzysu wrzenia
na drucie platynowym ma we wszystkich przypadkach większą wartość n i ż ma to miejsoe przy tym samym stężeniu i
na płaskiej powierzchni
ciśnieniu
stalowej.
9 . Niewielkie różnice w stężeniach optymalnych przy wrzeniu na drucie platynowym oraz na p ł a s k i e j powierzchni
stalo-
wej wskazują,
nie-
że wielkość stężenia optymalnego zależy
znacznie od rodzaju powierzchni i j e j k s z t a ł t u ,
lecz głównie
od właściwości fizycznych składnika organicznego c i ś n i e n i a
i
temperatury.
1 0 . W obszarze stężeń b l i s k i c h stężenia optymalnego wielkość przegrzań w zależności od zmian s t ę ż e n i a zmienia się
z n a c z n i e . Duże są natomiast różnice w wartości
1 1 . Wielkość przegrzań w przypadku p ł a s k i e j
stalowej j e s t mniejsza n i ż w przypadku drutu
nie-
«łj^j·
powierzchni
platynowego.
Bibliografia
1 . Bybka W . : Arch.Bud.Maszyn Tom X ,
2 . B o n i l l a C . F . , Bisenberg A . A . :
Cichelli M . T . ,
1954
5.
1113 - 1 1 2 2 ,
(20B)
Trans.Amer.Inst.Chem.Eng.
(41).
Bonilla C . P . ,
36,
Bonilla C . F . i
i
Ind.Eng.Chem. 4 0 ,
3 . Kirschbaum Ε . : Angew.Chem. 1948
4.
Zeszyt
685-705.
Perry C . W . :
Trans.Amer.Inst.Chem.Eng.1951,
- 24 6 . Vos A . S . ,
van Strahlen S . J . D ł C h e m . E n g . S o i . 1 9 5 6
7 . Hovestraldt J . j
8 . Richardson J . F . :
Chem.Eng. Sei 1963 v o l . 1 8
Chem.Eng.Sei 1959 v o l . 1 0
9 . Pang Sheng Lis A . J . C h . E .
1 0 . Grigorjeu L . N . :
1 1 . Usmáno* A . G . s
Journal July 1965
p.581.
Trudy K . C h . T . J . S e r . C h i m .
1962,
V/yk.ZG.PW. z. 491 ,n. 100+20
Izd.Akad.
1962.
1959.
1 2 . Journal of Heat,
p.234.
Tiepło i masopierenos tom I I
Nauk В . S . S . R . Mińsk
(5).
p.631.
1965,
1966,
1967.
Nauk w y p . 2 6 , 3 2 ,