Zjawiska falowe w ośrodkach dwufazowych

• Autorzy: Bohdal T.

Warianty tytułu

EN

Wave phenomena in two-phase media

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prowadzone w ostatnich latach doświadczenia wykazują, że układy dwufazowe podlegają ruchowi falowemu. Dotyczy to w szczególności rozchodzenia się zaburzeń wywołanych w tych układach [9,11,16,17,18]. Układ dwufazowy ciecz - gaz, jedno- lub wieloskładnikowy jest zbiorem cząstek substancji o dwóch stanach skupienia, oddzielonych od siebie powierzchnią międzyfazową. Od wewnętrznej struktury układu zależy wzajemne oddziaływanie na siebie poszczególnych faz, jak również prędkość przemieszczania wywołanego zaburzenia zewnętrznego lub wewnętrznego. Widać to wyraźnie na przykładzie rozchodzenia się fali dźwiękowej w adiabatycznym układzie dwufazowym. Prędkość fali dźwiękowej zależy przede wszystkim od wielkości stopnia zapełnienia i ciśnienia mieszaniny dwufazowej. Z wykresów przedstawionych na rysunkach 1 i 2 wynika, że wzrost ciśnienia powoduje wzrost prędkości dźwięku w mieszaninie dwufazowej. Występuje to jednak do określonej wielkości ciśnienia (zależnej od stopnia zapełnienia) a następnie przy odpowiednio wysokich ciśnieniach jest prawie stała i wynosi około 1300 m/s [17]. Propagacja fali zaburzeń w mieszaninie dwufazowej jednoskładnikowej o parametrach termicznych z linii nasycenia, powoduje periodyczną zmianę lokalnych wartości ciśnienia. Wywołuje to ciągły proces przemian fazowych. Na granicy faz następuje lokalnie proces kondensacji przy wzroście ciśnienia zaś przy obniżeniu ciśnienia - proces parowania. Ulegają zmianie lokalne wartości parametrów układu dwufazowego: ciśnienie nasycenia ps, temperatura nasycenia Ts, gęstość , stopień suchości x, stopień zapełnienia itp. Zjawiska te wywołują "efekt tłumienia" związany z dyssypacją energii oraz ze zmianą prędkości rozchodzenia się zaburzeń [17]. Analiza źródeł literaturowych i badania eksperymentalne własne dowodzą, że ośrodki dwufazowe wykazują własności falowe. Dotyczy to również rozwoju wrzenia pęcherzykowego czynników chłodniczych w kanałach rurowych. Przeprowadzone przez autora badania eksperymentalne wykazały, że inicjacja procesu wrzenia następuje na końcu ogrzewanego kanału (w miejscu największego przegrzania) i w postaci frontu wrzenia przemieszcza się w kierunku przeciwnym do przepływu czynnika.. Przejściu frontu wrzenia towarzyszy wzrost intensywności wymiany ciepła czego wynikiem jest obniżenie temperatury ścianki ogrzewanego kanału. Prędkości frontu wrzenia zależy od wielkości lokalnego przegrzania cieczy na ściance ogrzewanego kanału co ujmuje zależność (9) wyznaczona przez autora. Oprócz walorów poznawczych prezentowanego zjawiska rozwoju wrzenia pęcherzykowego w przepływie należy podkreślić aspekty eksploatacyjne. Zjawisko takie może zachodzić nie tylko w parownikach urządzeń chłodniczych (zwłaszcza zasilanych pompowo), ale także w innych układach energetycznych. W warunkach dynamicznych zmian parametrów układu mogą się pojawić niekorzystne właściwości eksploatacyjne objawiające się niestabilnościami w pracy tych urządzeń.

EN

Experimental investigations carried out in recent years indicate that two-phase systems possess interesting wave properties. This refers in particular to propagation of disturbances in these systems. The two-phase liquid-gas system, single-component or multi-component, is a collection of particles of two states of aggregation divided by an interface. The mutual interaction of the two phases depends on the internal structure of the system. So does the velocity of propagation of external or internal disturbances. This is clearly seen, for example, during the propagation of an acoustic wave in the adiabatic two-phase system. The velocity of the acoustic wave depends, first of all, on the void fraction and pressure of the two-phase mixture. The inception of boiling is connected with reaching a certain level of liquid superheat. The development of boiling is often accompanied by instabilities in the microscale in the form of vapour nuclei hysteresis, as well as in the macroscale in the form of the zero boiling crisis. Mitrovič and Fauser[8] proved that the development of boiling in the superheated liquid has a wave character. This fact is also confirmed by a detailed analysis of works of Z. Bilicki [2,3] and T. Bohdal [11,12,14]. Experimental observations indicate that for moderate liquid superheats, the formation of vapour bubbles takes place usually on surfaces being in direct contact with the liquid. With the beginning of generation of vapour bubbles in some place of the surface, the process of generation propagates on the surface to form the so-called boiling front whose propagation velocity depends on the liquid superheat. The phenomenon is accompanied by a change in the mechanism of heat transfer from forced convection to boiling with generation of vapour bubbles. For higher liquid superheats, the process of convection is replaced by film boiling. The propagation of the boiling front and kinetics of the phase change take place in metastable conditions in the heterogeneous medium. Experimentation on the development of bubbly boiling in the heated channel is not very impressive in quantity, and further research works of cognitive and applicative character are highly required. The knowledge of dynamics of boiling is essential because it may affect the operational stability of the machinery. It also allows the prediction of failures in channels with two-phase flows. Bearing in mind the above the authors undertake experimental investigations of the development of bubbly boiling in a heated vertical channel of an annular cross-section. A specially designed test section facilitates not only computerised recording of thermodynamic parameters that describe the two-phase flow, but also enables the observation and recording of the pictures of propagation of the boiling front along the heated surface. The conducted experimental investigations prove that the boiling front propagation velocity vT depends on the local liquid superheat at the heated wall, which can be expressed in terms of a dimensionless coefficient B [10] The dependence of the velocity vT on the coefficient B is presented in Fig. 20. In order to initiate the process of bubbly boiling, a certain critical value of the coefficient B should be exceeded (B 4). For B=4 the boiling front propagation velocity is equal to vT = 0.3 m/s. For higher values of B which correspond to higher local liquid superheats, the boiling front propagation velocity increases reaching vT = 0.6 m/s for B 6. Higher values of the coefficient B>6 were not achieved for the case of initiation of the boiling process by means of increasing impulsively the heat flux density at the heated wall. The obtained results of investigations enable the elaboration of experiment-based correlation describing the boiling front propagation velocity during the development of bubbly boiling in channel flow. The correlation is here presented in terms of the modified Peclet number Pe The relationship between the modified Peclet number Peexp and dimensionless coefficient B obtained from the experimental results of development of bubbly boiling in a vertical and horizontal channel achieved by means of increasing the heat flux density is plotted in Fig. 21. The comparison of experimental values of the Peclet number Peexp with the theoretical Peclet number Peth evaluated for the investigated cases from the correlation (2) is shown in Fig. 23. A decent accuracy to 20 % is achieved.

Słowa kluczowe

PL

ruch falowy; propagacja fal; ośrodki dwufazowe; parametry ośrodka dwufazowego

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2001
• Tom: Tom 3
• Strony: 75--101
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz.

Twórcy

autor

Bohdal T.

• Politechnika Koszalińska