Załącznik - PB Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Załącznik II. do wniosku Andrzeja Gajewskiego
Dr inż. Andrzej Gajewski
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Politechnika Białostocka
AUTOREFERAT
PRZEDSTAWIAJĄCY OPIS DOROBKU I OSIĄGNIĘĆ NAUKOWYCH
1. Imię i Nazwisko: Andrzej Gajewski
2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe-z podaniem nazwy, miejsca i roku ich
uzyskania

tytuł zawodowy magistra inżyniera w 1988 roku, Wydział Budownictwa i
Inżynierii Środowiska, Politechnika Białostocka,

stopień naukowy doktora nauk technicznych w 2000 roku, Wydział
Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika Białostocka, tytuł
rozprawy Badania doświadczalne kąta zwilżania dla grawitacyjnych strug
cieczy, promotor Prof. dr hab. inż. Marian Trela (INSTYTUT MASZYN
PRZEPŁYWOWYCH im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk w
Gdańsku)
3. Informacja o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych lub
artystycznych

1988- referent techniczny, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska,
Politechnika Białostocka,

1989-asystent stażysta, potem asystent,

2001- adiunkt.
1/7
4. Wskazanie osiągnięcia, wynikającego z art.16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003
r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule naukowym
w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.)
Osiągnięciem habilitacyjnym, określonym zgodnie z obowiązującą „Ustawą o
stopniach naukowychart.16 ust. 2” jest dzieło opublikowane w całości w postaci monografii
habilitacyjnej przedstawione poniżej.
A. autor, tytuł publikacji, rok wydania, nazwa wydawnictwa
Andrzej Gajewski, Efekty napięcia powierzchniowego w strugach i kroplach, 2016,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, ISBN 978-83-65596-03-1.
B. omówienie celu naukowego ww. pracy i osiągniętych wyników wraz z
wynikającymi z nich wnioskami.
Celem badań doświadczalnych jest wybór materiału, który zapewni najlepszą pracę
aparatów i urządzeń w procesach, którym towarzyszy wykraplanie się wilgoci. W jednym
przypadku, np. wymienników ciepła, celem jest usunięcie wilgoci z powierzchni wymiany
ciepła. W innej sytuacji, np. komór o powierzchniach zraszanych, należy dążyć do pokrycia
całej powierzchni metalu filmem cieczowym.
Celem badań teoretycznych jest sformułowanie domkniętego bilansu sił działających
na powierzchni rozdzielającej dwie fazy płynne, który opisywałby stan równowagi w
kierunkach wynikających z analizy badanego zjawiska z uwzględnieniem wpływu ciśnienia
hydrostatycznego już na etapie formułowania założeń.
Aby zrealizować zamierzone cele autor skonstruował stanowisko badawcze do
badania zalewania powierzchni. Ze względu na jego modułową konstrukcję można je
przystosować albo do badań w warunkach statycznych albo – dynamicznych.
Niezwykle istotnym z punktu widzenia prowadzonych badań zagadnieniem było
uzyskanie powtarzalności pomiarów. W tym przypadku istotną rolę odgrywają zjawiska
adsorpcji, które najgwałtowniej zachodzą po mechanicznej obróbce powierzchni. W celu
zapewnienia
chemicznej
jednorodności
powierzchni
doświadczalnej
zastosowano
innowacyjną procedurę. Po mechanicznym wykonaniu zadanej chropowatości płyty
2/7
badawcze były zanurzane na 24 h w wodzie podwójnie destylowanej. W tym czasie
wytworzyła
się
na
ich
powierzchni
powłoka
adsorpcyjna.
Z
punktu
widzenia
porównywalności pomiarów najważniejsza jest pierwsza warstwa, której energia wiązań jest
rzędu energii wiązań chemicznych, gdyż jej homogeniczność jest warunkiem koniecznym do
uzyskania powtarzalnych warunków eksperymentów.
W celu wykonania pomiarów kąta zwilżania i szerokości grawitacyjnych strug
cieczowych autor opracował metodę pomiarową, opartą na zasadzie metody Langmuira tzn.,
polegającą na poszukiwaniu normalnej do powierzchni rozdziału ciecz-powietrze w miejscu
jej styku z ciałem stałym. Umożliwia to pomiar kątów zwilżania w zakresie od zera do jednej
czwartej kąta pełnego.
Autor dokonał estymacji niepewności pomiarowych nowej metody w oparciu o
stworzony w tym celu wzorzec strugi. Niepewności te są stosunkowo niewielkie, co stanowi
kolejną zaletę tej nowatorskiej metody. Wynoszą one w przypadku pomiaru kąta zwilżania
±1,110° i ±1,140° dla każdej krawędzi oddzielnie, zaś niepewność pomiaru szerokości strugi
równa ±0,636 mm. Wszystkie niepewności pomiarowe oszacowano przy poziomie istotności
0,05.
Niewątpliwie istotne jest precyzyjne ustawienie całego układu pomiarowego.
Przesunięcie się promienia laserowego podczas obrotu płyty o więcej niż 0,5 mm czyniło
pomiar niemożliwym na skutek wyjścia wiązki światła poza linię styku trzech faz, a więc
poza badany obszar. Aby tego uniknąć autor wypracował techniki prostopadłego ustawienia
lasera względem badanej płyty oraz pozycjonowania lasera w ten sposób aby jego oś obrotu
znajdowała się na prostej pionowej przechodzącej przez punkt pomiarowy. Bezpośrednia
realizacja eksperymentów badawczych odbywała się na skonstruowanym przez autora
laboratoryjnym stanowisku, które w zależności od celu poznawczego było przystosowywane
albo do badań zalewania powierzchni w warunkach statycznych albo doświadczeń
poznawczych podczas grawitacyjnego spływu strug.
W trakcie prezentowanych badań eksperymentalnych wykonano znaczną liczbę
pomiarów kąta zwilżania i szerokości strugi podczas zwiększania, zmniejszania i ponownego
wzrostu strumienia masy, co odpowiada różnym stanom powierzchni dla czterech
materiałów: miedzi, mosiądzu CuZn37, aluminium i stali nierdzewnej 0H18N9 w warunkach
kondensacji wodnego mikrofilmu na powierzchni płyty.
W przypadku badań w warunkach statycznych zaobserwowano najlepszą zwilżalność
na powierzchni wykonanej ze stali nierdzewnej, następnie miedzianej aluminiowej i
mosiężnej.
3/7
Stwierdzono, że w warunkach ruchu cieczy najlepszą zwilżalność, wśród badanych
materiałów, posiada aluminium, kolejno stal nierdzewna, miedź, a najgorszą mosiądz, co
wynika ze zmierzonych szerokości strug. Przy zmniejszaniu oraz przy ponownym wzroście
strumienia masy strugi utrzymywały stałą szerokość w znacznie szerszym przedziale zmian
natężenia przepływu niż przy pierwotnym wzroście.
W zakresie badań teoretycznych opracowano samodzielnie oryginalną metodykę
badawczą, która nie ma oparcia w innych wcześniejszych modelach. W celu uzyskania
matematycznego opisu powierzchni rozdziału faz zdefiniowana została nowa powierzchnia
dla zmieniającego się promienia wodzącego. Na tak zdefiniowanej powierzchni,
nieprzemieszczającej się w kierunku do niej normalnym, bilansowane są siła naporu
hydrostatycznego i siły napięcia powierzchniowego. Brak prostopadłego przesunięcia
powierzchni międzyfazowej jest jednoznaczny z brakiem zmiany objętości. Przy znanym
ciśnieniu w początku układu współrzędnych teoretyczne kształty kropel lub pęcherzyków
mogą być łatwo wyznaczone i porównane z kształtami uzyskanymi eksperymentalnie.
Ponieważ są to rozwiązania analityczne, to pozbawione są wad występujących w
rozwiązaniach numerycznych, a związanych z punktami osobliwymi. Dodatkową zaletą tego
ujęcia jest bilansowanie powierzchniowych sił stycznych (pochodzących od napięcia
powierzchniowego) i siły naporu hydrostatycznego (wyprowadzonej z siły grawitacji) przy
stałych: objętości, entropii, temperaturze i składzie chemicznym. A zatem bilans ten spełnia
wszystkie warunki podane w definicjach napięcia powierzchniowego wyrażonych explicite
poprzez równania w podrozdziale I.3.1. W tej sytuacji model ten może służyć do wyznaczania
wartości napięcia powierzchniowego jak i do wnioskowania o właściwościach napięcia
powierzchniowego.
Wyznaczono kształt pęcherzyka gazowego w oparciu o bilansowanie sił naporu
hydrostatycznego i sił pochodzących od napięcia powierzchniowego. Wyprowadzone w
niniejszej pracy równania kształtów powierzchni międzyfazowej zostały porównane z
badaniami eksperymentalnymi innych autorów. Przy odpowiednim dobraniu wartości różnicy
ciśnienia po obu stronach powierzchni rozdziału faz uzyskano dobrą zgodność z
referencyjnymi badaniami eksperymentalnymi Thoroddsena i in. (2007) oraz Hoorfara i
Neumana (2006). Jednakże weryfikacja będzie możliwa w przypadku odniesienia do
doświadczeń, w których istnieje możliwość wyznaczenia różnicy ciśnienia między wnętrzem
kropli lub pęcherzyka a otoczeniem.
W przypadku metod służących do wyznaczenia napięcia powierzchniowego zostały
opracowane trzy różne warianty, których stosowanie uzależnione jest od szczegółowych
4/7
warunków eksperymentalnych. Każda z tych metod jest rozwiązaniem analitycznym
wyprowadzonym bezpośrednio z definicji napięcia powierzchniowego. W każdym wariancie
wyznaczenie wartości napięcia powierzchniowego wymaga znajomości wartości różnicy
ciśnienia między rozdzielonymi płynami. Wartość różnicy ciśnienia może być znana
teoretycznie albo zmierzona w trakcie eksperymentu. W uogólnieniu można podać, że
napięcie powierzchniowe jest wprost proporcjonalne do wymiaru liniowego związanego z
kroplą lub pęcherzykiem i powiązanej z tym wymiarem różnicy ciśnienia po obu stronach
powierzchni międzyfazowej. Uzyskane w wyniku badań własnych autora formuły są znacznie
prostsze w obliczeniach w odniesieniu do podanych w podrozdziale I.3.2. W efekcie
stosowanie nowatorskich metod wyznaczania napięcia powierzchniowego wymaga
zmierzenia znacznie mniejszej liczby pozostałych stałych i zmiennych niż w którejkolwiek z
procedur opisanych w wyżej wymienionym podrozdziale. Ponadto innowacyjne metody
umożliwiają weryfikację poprawności określenia położenia początku układu współrzędnych,
a w konsekwencji prawidłowość wyznaczenia napięcia powierzchniowego. Nie jest to
możliwe w przypadku algorytmów numerycznych prezentowanych w powyżej podanym
podrozdziale.
WNIOSKI
1. W
przypadku
konstruowania
obrotowych
wymienników
ciepła
(regeneratorów) powierzchnię wymiany ciepła należy wykonać ze stali
nierdzewnej 0H18N9, gdyż wówczas największa jest powierzchnia obszaru
zalanego, a co za tym idzie nastąpi najszybsze odparowanie wykroplonej
wilgoci z jego powierzchni.
2. W przypadku konstruowania chłodnic płaszczyznowych lub komór o
powierzchniach zraszanych należy je wykonywać z aluminium, gdyż wówczas
otrzymuje się największą i najrówniej zwilżoną powierzchnię przy tym samym
strumieniu masy wody.
W oparciu o prezentowane obliczenia teoretyczne można uzyskać spójną teorię
dotyczącą połączonych efektów napięcia powierzchniowego i ciśnienia hydrostatycznego.
Oprócz znanych z innych badań wniosków:
3. powierzchnia rozdzielająca poddana działaniu jednorodnego ciśnienia jest
sferą,
4. powierzchnia rozdzielająca nie istnieje gdy brak jest różnicy ciśnienia między
fazami objętościowymi
5/7
uzyskano również nowe ustalenia:
5. powierzchnia rozdzielająca staje się płaszczyzną poziomą, gdy siły napięcia
powierzchniowego równoważą się w polu grawitacyjnym,
6. aby powstały inne kształty powierzchni rozdzielającej, musi ona się znajdować
pod wpływem zmiennego ciśnienia,
7. aby powstała zamknięta powierzchnia rozdzielająca, moduł wysokości
piezometrycznej w początku układu współrzędnych nie może być mniejszy niż
8 g .
W każdej z metod pomiaru wartości napięcia powierzchniowego mierzony jest
wymiar liniowy związany z kroplą lub pęcherzykiem i odpowiednie dla tego wymiaru
ciśnienie. Wobec tego należy uznać, że
8. rozmiar kropli lub pęcherzyka jest wprost proporcjonalny do napięcia
powierzchniowego i odwrotnie proporcjonalny do odpowiedniej różnicy
ciśnienia po obu stronach powierzchni międzyfazowej.
Badania teoretyczne dotyczące połączonych efektów napięcia powierzchniowego i
ciśnienia hydrostatycznego pragnę rozwinąć włączając oddziaływanie ciała stałego w
warunkach statycznych (krople), a następnie rozszerzyć na przepływ strugowy.
5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych
Po obronie doktoratu zajmowałem się badaniami teoretycznymi i eksperymentalnymi
przepływów w przewodach równomiernej wydajności. Osiągnięciem w tym zakresie było
wyznaczenie rozkładu prędkości dla przepływu turbulentnego w przewodzie perforowanym.
Kolejny zakres tematyki badawczej obejmował jakość powietrza wewnętrznego
Badania
prowadzone
były w
obiektach
przemysłowych,
użyteczności
publicznej,
dydaktycznych oraz środkach transportu zbiorowego. Na uwagę zasługują tutaj pomiary w
mniejszym autobusie. Z ich analizy wynika, że na początkowym i ostatnim odcinkach
podróży występuje stężenie dwutlenku węgla mogące zmniejszyć percepcję kierowcy.
Właśnie na tych odcinkach zdarza się relatywnie najwięcej wypadków.
Badania jakości powietrza w chłodniach o bardzo obniżonej zawartości tlenu ULO
(ang. ultra low oxygen) pozwoliły wywnioskować, że na jakość przechowywanych owoców
6/7
decydujący wpływ ma długość okresu stabilizacji atmosfery w przechowalni, co jest wiązane
z obecnością tlenu. Skrócenie tego okresu, a więc szybsze zmniejszenie stężenia tlenu, może
istotnie poprawić jakość przechowywanych produktów wyznaczaną przede wszystkim
zawartością witamin i substancji odżywczych.
Równolegle przeprowadzane były ekspertyzy dotyczące skuteczności wentylacji.
Najbardziej interesujące były pomiary skuteczności w budynku inteligentnym ze względu na
praktyczną weryfikację założeń projektowych z realnym funkcjonowaniem budynku po jego
wykonaniu.
Od roku 2012 zajmuję się badaniami wpływu instalacji centralnego ogrzewania, w
powiązaniu ze źródłem ciepła dla niej, na emisję dwutlenku węgla. Badana jest nie tylko
emisja bezpośrednia związana ze spalaniem paliwa w kotłowi indywidualnej ale również
pośrednia związana z produkcją energii elektrycznej. W Polsce jest ona wytwarzana głównie
w siłowniach cieplnych opalanych węglem albo kamiennym albo brunatnym. W związku
czym średnia sprawność wytworzenia energii elektrycznej wynosi ok. 36% co, w połączeniu
ze sprawnością przesyłu poniżej 80% dla prądu niskiego napięcia, sprawia że gazowy kocioł
kondensacyjny emituje łącznie (bezpośrednio plus pośrednio) mniej dwutlenku węgla niż
pompa ciepła.
24 września 2016
Data
........................................................
Podpis habilitanta
7/7