Cykl termodynamiczny w gejzerze

Cykl termodynamiczny w gejzerze
(The thermodynamic cycle of a geyser)
projekt indywidualny magisterski
propozycja tematu do realizacji w semetrze zimowym 2015/2016
Celem proponowanego projektu indywidualnego magisterskiego jest przygotowanie projektu
stanowiska laboratoryjnego do badania cykliczności procesów zachodzących w gejzerze wodnym.
Gejzer jest znanym zjawiskiem przyrodniczym, dającym efektowny strumień pary i gorącej
wody wydobywający się intensywnie w krótkim czasie spod ziemi przez szczelinę czy otwór.
Po wybuchu gejzer przez jakiś czas odpoczywa, by ponownie wybuchnąć. Okresy pomiędzy
kolejnymi wybuchami są dość powtarzalne i charakterystyczne dla danego gejzera.
Modelowy gejzer laboratoryjny mógłby być zbudowany następująco. Podstawową częścią
jest pionowo umieszczona rura o długości jednego czy dwóch metrów, której dolny otwór jest
zamknięty, a górny otwór umieszczony jest w dnie zamkniętego zbiornika o średnicy około metra.
Zbiornik jest częściowo wypełniony wodą o temperaturze pokojowej, na tyle tylko, aby woda
wypełniała rurę i wznosiła się nieco ponad jej górny koniec. Dolna część rury zaopatrzona jest
w grzałkę, która nie powinna być umieszczona wewnątrz rury, ale mogłaby być utworzona przez
spiralną warstwę oporowego drutu grzejnego, nawiniętego na dolną część rury, przedzielonego
izolacją elektryczną, odporną na temperatury do 300 C. Całość zaizolowana jest cieplnie wełną
mineralną.
Zasada działania gejzera jest taka, że grzałka doprowadza wodę w dolnej części do temperatury wrzenia. W prawdziwym gejzerze punkt grzania geotermalnego umieszczony jest znacznie
pod powierzchnią ziemi (wody), zatem po pierwsze panuje tam ciśnienie znacznie wyższe od
atmosferycznego, a po drugie, znaczna odległość od powierzchni zapobiega osiągnięciu przez
wodę temperatury wrzenia przy powierzchni. Dlatego temperatura w dolnej części gejzera może
wzrosnąć znacznie ponad 100 C. Po osiągnięciu temperatury wrzenia banieczki pary zaczynają
się przemieszczać w górę gejzera, co powoduje spadek gęstości i spadek ciśnienia. Następuje
gwałtowne wrzenie, które wyrzuca parę i gorącą wodę na zewnątrz. Przewód gejzera opróżnia
się, przez co ciśnienie spada do atmosferycznego. Nagrzana skała w warunkach ciśnienia atmosferycznego powoduje odparowanie reszty wody, co może doprowadzić nawet do osuszenia
gejzera. Gdy gejzer wypełni się powietrzem, spływająca w dół zimna woda spowoduje jego
wychłodzenie, dzięki czemu gejzer może napełnić się wodą. Cykl pracy zamyka się i gejzer
rozpoczyna fazę nagrzewania.
Celem indywidualnego projektu magisterskiego jest przygotowanie projektu wykonawczego
do układu laboratoryjnego realizującego powyżej opisane procesy. Dla wybranych parametrów
(takich jak wymiary urządzenia, materiały, moc grzałki) należy opisać przebieg procesów grzania, wymiany ciepła, wrzenia, zmiany ciśnienia, zmiany temperatury wrzenia, i najważniejszy
etap wydostawania się na powierzchnię wrzącej wody i pary, aby dobrać parametry w taki
sposób, by osiągnąć pożądaną cykliczność procesu.
Marek Lewkowicz