MODELOWANIE WRZENIA PĘCHERZYKOWEGO


Tytuł: "Modelowanie wrzenia pęcherzykowego"
Autor: Janusz T. Cieśliński
Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej
Rok wydania: 2005
Proces wrzenia, z uwagi na dużą intensywność odbierania ciepła, jest
chętnie wykorzystywany w wielu gałęziach techniki, w tym powszechnie
w parowych urządzeniach chłodniczych. Jednocześnie, niezwykła złożoność
i niepowtarzalność towarzyszących mu zjawisk niweczy podejmowane
do tej pory próby sformułowania ogólnego modelu wrzenia, a w
konsekwencji utrudnia, a wręcz uniemożliwia oszacowanie wartości tak
istotnych wielkości fizycznych, jak współczynnik przejmowania ciepła, czy
krytyczna gęstość strumienia ciepła dla zadanych warunków procesu.
Dlatego obecnie, z jednej strony wykonuje się eksperymenty zmierzające
do opisu wrzenia w konkretnych aparatach i urządzeniach, a z drugiej
prowadzi się teoretyczne i praktyczne badania podstawowe, mające na
celu identyfikację i modelowanie mechanizmów przenoszenia ciepła w
poszczególnych przypadkach i zakresach parametrów.
Prezentowana publikacja traktuje o modelowaniu nasyconego wrzenia
pęcherzykowego w dużej objętości, na powierzchniach technicznie gładkich.
Uwzględnia zatem przypadki przekazywania ciepła w objętości na tyle
dużej, że pomijalny jest wpływ ścianek zbiornika na proces, któremu towarzyszy
powstawanie pęcherzyków parowych w cieczy posiadającej przynajmniej
temperaturę nasycenia. Na tle ugruntowanej wiedzy Autor prezentuje
najnowsze hipotezy, modele i metody badawcze w tej dziedzinie.
Treść monografii podzielono na cztery rozdziały. W pierwszym z nich
Autor zestawia podstawowe pojęcia, nakreślając zakres tematyczny swojej
pracy. Centralne miejsce zajmują tu struktury tworzone przez powstające
podczas wrzenia pęcherzyki pary. Uważa się powszechnie, że owe struktury
parowe determinują mechanizmy przenoszenia ciepła podczas wrzenia
i z tego względu na ich systematyce opiera się większość uznanych
obecnie modeli tego procesu. Następnie, posiłkując się krzywą wrzenia,
czyli zależnością gęstości strumienia ciepła od przegrzania ścianki grzejnej
ponad temperaturę nasycenia cieczy, Autor charakteryzuje poszczególne
reżimy wrzenia, w tym szczególnie zakresy wrzenia pęcherzykowego
- począwszy od strefy pojedynczych centrów nukleacji, przez obszary
kolumn i grzybów parowych, aż po pierwszy kryzys wrzenia, grożący
w określonych warunkach nawet zniszczeniem powierzchni grzejnej.
W rozdziale drugim omówiono zagadnienia związane z dynamiką pęcherzyków
parowych. Warunkiem powstania pęcherzyka jest aktywacja zarodka
parowego w postaci zagłębienia na powierzchni grzejnej, w którym
uwięziony jest gaz. Pokazano, jaki jest wpływ geometrii, zwilżalności i
defektów powierzchni na powstanie zarodków, wyjaśniono konieczność
istnienia przegrzania cieczy w sąsiedztwie generującego się pęcherzyka
oraz przedstawiono wybrane modele aktywacji zarodków parowych. Następnie
scharakteryzowano cykl nukleacji, na który składa się czas jałowy,
okres wzrostu i oderwanie pęcherzyka. Przedyskutowano czynniki
wpływające na czas wzrostu i średnicę oderwania, prezentując wybrane
modele, opisujące także częstotliwość powstawania pęcherzyków z pojedynczego
zarodka oraz prędkość ich wznoszenia. Zwrócono uwagę na
deformowanie się pęcherzyków w tej ostatniej fazie.
Dalsza część rozdziału drugiego rozszerza tą problematykę na wiele
sąsiadujących i wzajemnie oddziałujących centrów nukleacji. Prezentuje
zagadnienia związane z określeniem gęstości występowania centrów
nukleacji, gdyż ilość tych centrów na jednostce powierzchni jest jednym
z podstawowych parametrów w modelowaniu procesu wrzenia. Zwrócono
uwagę, że w miarę wzrostu przegrzania powierzchni, na której zachodzi
wrzenie, dochodzi do aktywacji zarodków o coraz mniejszej średnicy,
dzięki czemu rośnie ich ilość; jednocześnie maleje czas jałowy, wpływając
na zwiększenie częstotliwości odrywania się pęcherzyków. Zjawiska
te stopniowo prowadzą do łączenia się sąsiadujących pęcherzyków, czyli
koalescencji - zarówno pionowej, poziomej, jak i skośnej.
Najobszerniejszą część publikacji stanowi rozdział trzeci, opisujący mechanizmy
przekazywania ciepła podczas wrzenia pęcherzykowego i modele
tego zjawiska. Autor wskazuje, że całkowity strumień ciepła jest rezultatem
działania kilku, działających
jednocześnie mechanizmów,
takich jak: mieszanie
cieczy przez pęcherzyki, przenoszenie
ciepła w śladzie unoszących
się pęcherzyków,
wzmożona konwekcja w pobliżu
pęcherzyka, konwekcja
Marangoniego, nieustalone
przewodzenie ciepła, czy parowanie
na granicy faz. Znaczenie
poszczególnych mechanizmów
zależy od parametrów
procesu, w tym od
przegrzania powierzchni i jej
geometrii. Szczegółowo
przedstawia wybrane modele
poszczególnych zakresów
wrzenia pęcherzykowego,
zbudowane w oparciu o wspomniane
mechanizmy przekazywania ciepła. Pośród najważniejszych opisów
wrzenia w zakresie pojedynczych centrów nukleacji swoje miejsce znalazł
model Madejskiego, uwzględniający parowanie cieczy do pęcherzyka,
przewodzenie ciepła w cieczy oraz jej mieszanie przez wznoszące się pęcherzyki.
Dopełnienie treści rozdziału trzeciego stanowi omówienie nielicznych
modeli nie opartych na systematyce struktur parowych, usiłujących za to
uwzględnić nieliniowy i nieustalony charakter wrzenia pęcherzykowego.
Autor zauważa, że różnorodność zaprezentowanych opisów, a zarazem
brak jednego, ogólnego modelu wrzenia wynika z niezwykłego skomplikowania
zjawiska; z tego, że ma ono zarazem charakter deterministyczny,
czyli da się opisać klasycznymi równaniami zachowania masy, pędu i
energii, a jednocześnie wykazuje charakter stochastyczny, nie dając pewności,
czy i kiedy wystąpi generacja, zanik lub koalescencja pęcherzyków.
Rozdział ten Autor kończy stwierdzeniem, że do lepszego poznania
procesu wrzenia przyczyni się zarówno rozwój technik pomiarowych, jak
i odgrywających coraz większą rolę technik numerycznych.
Przejściu od wrzenia pęcherzykowego do wrzenia błonowego w warunkach
stałej gęstości strumienia ciepła towarzyszy nagły wzrost przegrzania
powierzchni grzejnej, który może doprowadzić nawet do jej zniszczenia.
Zjawisku temu, noszącemu nazwę pierwszego kryzysu wrzenia,
poświęcono ostatni, czwarty rozdział omawianej monografii. Umiejętność
określenia krytycznej gęstości strumienia ciepła ma doniosłe znaczenie
praktyczne, toteż zagadnieniu temu poświęcono wiele badań. Brakuje
jednak wyczerpującego opisu kryzysu wrzenia. Autor przedstawia więc
hipotezy tego zjawiska, upatrujące przyczyn kryzysu w utracie stabilności
powierzchni rozdziału faz, rozprzestrzenianiu się suchych plam, bądź
propagacji fali temperatury, towarzyszącej rozprzestrzenianiu się błony
parowej. Konkluduje, że przydatność tych hipotez zależy od zwilżalności
powierzchni przez ciecz oraz że krytyczna gęstość strumienia ciepła jest
funkcją gęstości centrów nukleacji.
Monografia w skondensowanej formie przedstawia szczegółowo modele
wrzenia pęcherzykowego w objętości, wraz z ich opisem matematycznym.
Czytelnik zainteresowany tą tematyką zyskuje możliwość pogłębienia
i uszczegółowienia swojej wiedzy. Książkę należy także polecić osobom
chcącym dopiero zapoznać się z problemami modelowania wrzenia pęcherzykowego,
gdyż Autor za każdym razem w sposób przejrzysty precyzuje
przyjęte założenia i wynikające z nich zależności pomiędzy poszczególnymi
wielkościami fizycznymi, kończąc każdy rozdział krótkim podsumowaniem.
W odbiorze treści pomaga również staranny dobór ilustracji.
Niezwykle cenną zaletą publikacji jest jej aktualność. Pośród 239
pozycji bibliograficznych Autor, sam zajmujący się badaniami procesu
wrzenia, umieścił zarówno najważniejsze pozycje z dorobku tej dziedziny
wiedzy, jak i najnowsze publikacje z renomowanych czasopism i
konferencji naukowych.
Autor:Waldemar TARGAŃSKI
Źródło:

Źródło: ''