Pytania na zaliczenie z przedmiotu „Przepływy dwufazowe w instalacjach przemysłowych”

1. Wyjaśnić pojęcie wrzenia, kondensacji i flashingu.

1. Wrzenie jest procesem zamiany cieczy w stanie nasycenia w parę podczas dostarczania ciepła

2. Kondensacja- proces przemiany pary w ciecz, warunkiem koniecznym kondensacji jest aby temperatura powierzchni była niższa od temperatury nasycenia cieczy przy danym ciśnieniu.

3. Flashing- zamiana cieczy w parę w skutek obniżania ciśnienia przy stałej temperaturze.

1. Zdefiniować pojęcie stopnia zapełnienia, poślizgu faz oraz stopnia suchości.

1. Stopień zapełnienia- stosunek objętości zajmowanej przez fazę parową V, do objętości mieszaniny dwufazowej V=V_l+V_v

Inaczej określa się go jako stosunek przekroju zajmowanego przez fazę parową do całego przekroju

1. Stopień suchości- masowy udział fazy parowej

2. Poślizg faz- stosunek prędkości fazy parowej do ciekłej

1. Zdefiniować prędkość masową (G) cieczy i pary oraz prędkość pozorną.

1. Prędkość masowa- stosunek strumienia masy do przekroju kanału przez który przepływa czynnik

2. Prędkość pozorna

   1. Pary- iloczyn prędkości masowej i stopnia suchości odniesiony do gęstości fazy parowej

   2. Cieczy- iloczyn prędkości masowej i stopnia zawilgocenia odniesiony do gęstości fazy parowej

1. Przejścia fazowe pierwszego i drugiego rodzaju – definicje i przykłady.

1. Przejścia fazowe pierwszego rodzaju- przejścia fazowe charakteryzujące się skokową zmianą własności. Wyrażone są poprzez pierwsze pochodne swobodnej entalpii, takich jak np. objętość właściwa, entropia właściwa, entalpia własciwa, itp. Przykłady:

Parowanie, kondensacja, topnienie, krzepnięcie, sublimacja

1. Przejścia fazowe drugiego rodzaju-(?)

Przejście żelaza ze stanu ferromagnetycznego do stanu paramagnetycznego w punkcie Curie, Przejście metali ze stanu normalnego do stanu nadprzewodnictwa przy braku pola magnetycznego, przejście ciekłego Helu I w ciekły Hel II

1. Przedstawić na wykresie T-h i omówić izobaryczną przemianę wody od fazy lodu do pary przegrzanej.

0-Is- zmiana entalpii związana z przyrostem temperatury aż do momentu osiągnięcia temperatury 273K

Is-l- przemiana fazowa, przy stałej temperaturze Tis zwana topnieniem jest tu układ dwufazowy wody i lodu (l-Is- entalpia topnienia)

l-gl- wzrost entalpii związany ze wzrostem temperatury fazy ciekłej

gl- g- parowanie(wrzenie) przy stałej temperaturze Tig, układ dwufazowy gazowo parowy (g-gl- entalpia wrzenia)

od punktu g- przegrzew pary, wzrost temperatury i entalpii pary suchej

1. Poślizg temperaturowy. Mieszanina azeotropowa i azeotropowa.

Poślizg temperaturowy- różnica między punktem rosy a punktem pęcherzyków

Mieszanina azeotropowa- mieszanina, która zawiera identyczne stężenie fazy ciekłej oraz gazowej.

1. Napięcie powierzchniowe – definicja, rola w analizie procesów wrzenia i kondensacji.

1. Napięcie powierzchniowe- zjawisko fizyczne, dzięki któremu powierzchnia znajdująca się na granicy dwóch faz może być traktowana jako nieskończenie cienka membrana, ograniczająca rozciąganie i mająca tendencję do kurczenia się.

2. Definicja termodynamiczna

gdzie U jest energią wewnętrzną układu, S jest entropią, _ jest napięciem

powierzchniowym _i jest potencjałem chemicznym składnika i, mi jest masą

składnika i, a AI jest całkowitą powierzchnią międzyfazową w układzie.

1. Rola w analizie procesów wrzenia i kondensacji

1. Statyczny i dynamiczny kąt zwilżania.

1. Kąt zwilżania- kąt utworzony pomiędzy linią ciała stałego LS, a także trzyfazową linią kontaktu (czyli linią styczną do powierzchni miedzyfazowej gaz ciecz, przechodzącą przez punkt gdzie wszystkie trzy fazy się spotykają)

Całkowita zwilżalnośc kąt 0st, ciecz próbuje się rozlać,

Całkowita niezwilżalność kąt 180st

1. Statyczny kąt zwilżania, jest to kąt zwilżania w sytuacji gdy nie zachodzi ruch pomiędzy linią ciało stałe- ciecz- gaz, a powierzchnią ciała stałego

2. Dynamiczny kąt zwilżania:

- postępujący kąt zwilżania gdy powierzchnia fazowa gaz ciecz porusza się w kierunku fazy gazowej (ciecz rozpływa się po powierzchni)

-wsteczny kąt zwilżania- powierzchnia między fazowa gaz-ciecz porusza się w kierunku fazy ciekłej

1. Efekt termokapilarny. Definicje i przykłady.

1. Definicja- efekt powstawania wypadkowej siły stycznej(która może się pojawic w postaci wypadkowej siły działającej na rozproszoną cząstkę płynu, lub wymusić przepływ płynu w spokojnym polu przepływu) w skutek nierównomierności napięcia powierzchniowego, wynikającego z nierównomierności temperatury na powierzchni miedzyfazowej gaz-ciecz

2. Przykład- Przepływ w celach Bernarda

1. Wymienić i krótko opisać struktury przepływu dwufazowego w kanale pionowym. Narysować rozkład temperatury płynu i ścianki w przepływie z wrzeniem.

1. Przepływ o strukturze pęcherzykowej (ang. bubbly flow) tzn. taki, gdzie faza

parowa przepływa w postaci rozproszonych pęcherzy w ciągłym ośrodku fazy

ciekłej.

1. Przepływ korkowy (ang. slug flow) czyli przepływ, w którym występują formy

parowe w postaci dużych pęcherzy wypełniających prawie cały przekrój kanału. Pęcherze te przyjmują kształt zbliżony do pocisków. Przestrzeń pomiędzy tymi dużymi pęcherzami wypełniają korki płynu o niejednorodnej strukturze

pęcherzykowej.

1. _ Przepływ wirowo-pierścieniowy (ang. churn flow) charakteryzujący się tym, że

faza ciekła przybiera, na przemian, kształt niestabilnego, pofalowanego pierścienia przylegającego do ścianek kanału oraz krótkiego korka wypełniającego cały przekrój kanału. Przepływ ten obserwuje się w kanałach o dużych średnicach, jako wynik procesu periodycznego rozrywania długich pęcherzy.

1. _ Przepływ pierścieniowo-mgłowy (ang. annular flow), w którym faza ciekła w

postaci filmu omywa ścianki kanału a środkiem przepływa strumień składający się głównie z fazy parowej.

1. Przepływ pierścieniowy z zawiesiną kropel (ang. wispy-annular flow) wyróżniający się tym, że porywana przez fazę parową ciecz występuje w postaci dużych brył wydłużonych kropel, których rozmiary są stopniowo coraz mniejsze, gdy prędkość wzrasta.

1. Wymienić i krótko pisać struktury przepływu w kanałach poziomych.

1. Przepływ pęcherzykowy- występuje gdy w strumieniu cieczy wypełniającym przekrój kanału występuje w górnej części przepływ drobnych pęcherzyków gazu

2. Przepływ tłokowy/korkowy- drobne pęcherzyki gazu łączą się w duże wydłużone pęcherze płynące górną częścią kanału

3. Przepływ rzutowy- przez obserwowany przekrój poprzeczny kanału przepływa na przemian porcja cieczy (z małymi pęcherzykami gazu) oraz duży pęcherz gazu zajmujący znaczną część przekroju poprzecznego kanau

4. Przepływ warstwowy- ciecz płynie w dolnej, zaś gaz w górnej części kanału, powierzchnia rozdziału faz jest gładka

5. Przepływ falowy- w dolnej części kanału płynie ciecz, a w górnej gaz, przy czym powierzchnia rozdziału faz jest silnie pofalowana

6. Przepływ pierścieniowy0 gaz przepływa centralną częścią kanału, a ciecz tworzy cienką pierścieniową warstewkę na ściance kanału. W dolnej części kanału grubość filmy cieczy jest większa niż w części górnej. W centralnej części kanału w fazie gazowej przepływają nieliczne małe kropelki cieczy, co powoduje, że przepływ taki nazywamy również przepływem pierścieniowo-kropelkowym

7. Przepływ kropelkowy/mgłowy- całym przekrojem poprzecznym kanału płynie strumień gazu zawierający drobne kropelki cieczy tworzące mgłę

1. Narysować i omówić krzywą wrzenia w objętości, oznaczyć punkty charakterystyczne i wyjaśnić ich znaczenie.

1. Pierwszy kryzys wrzenia I-go rodzaju w przepływie – wymień i opisz 3 mechanizmy jego powstawania.

1. Parowanie mikrowarstwy cieczy pod rosnącym pęcherzykiem na ogrzewanej ściance Tuż przed oderwaniem się pęcherzyka parowanie mikrowarstwy może pozostawić suchy obszar ścianki pod pęcherzykiem. Jeżeli ścianka jest ogrzewana stałym strumieniem ciepła to temperatura suchej plamy na powierzchni kanału może przewyższyć tzw. temperaturę Leidenfrosta, powodując, że ta część ścianki stanie się niezwilżalna. Kontynuowane parowanie mikrofilmu na obwodzie suchego obszaru powoduje dalszy jego wzrost. Może to w konsekwencji prowadzić do wyschnięcia całej ścianki oraz powstania mechanizmu wrzenia błonowego na takiej ściance.

2. Drugi mechanizm, może występować dla średnich stopni przechłodzenia płynu, tj. takich przy których powstaje ruch drobnych pęcherzyków przy ściance. W takich przypadkach, pęcherzyki mogą się zbierać w warstwie przyściennej (rys. b). Jeżeli koncentracja pęcherzyków oraz rozmiar warstwy przyściennej będą duże, to może okazać się, że dopływ cieczy do powierzchni ścianki będzie pogorszony. Ciecz występująca pod pęcherzykami, jak i ta rozdzielająca je, może wówczas odparować oraz spowodować powstanie suchych plam na ściance. Suche obszary, które powstały w ten sposób, mogą się powiększać kosztem braku dopływu cieczy z rdzenia przepływu, prowadząc w efekcie do wrzenia błonowego.

3. Trzeci mechanizm związany jest ze strukturą korkową w przepływie nasyconym o małym stopniu suchości. Jest to struktura właściwa dla dużych strumieni ciepła. Podczas ruchu pęcherzyka w kształcie korka, w obecności dużego strumienia ciepła na ściance, cienka warstwa cieczy oddzielająca pęcherzyk parowy od ścianki może odparować, prowadząc w pewnych lokalizacjach do powstania suchego obszaru, jak to pokazano na rys. c. W przypadku istnienia dużych strumieni ciepła temperatura ścianki kanału może przewyższyć temperaturę Leidenfrosta i spowodować brak zwilżalności powierzchni. Suchy obszar będzie wówczas się powiększał prowadząc w konsekwencji do wrzenia błonowego.

1. Pierwszy kryzy wrzenia II-go rodzaju w przepływie.

W przypadku średnich lub dużych wartości stopnia suchości mamy do czynienia przede wszystkim z konfiguracją pierścieniową przepływu, a zmiana mechanizmu wymiany ciepła polega przede wszystkim na odparowaniu filmu cieczowego na ściance kanału. Dla takiego zakresuwarunków wymiany ciepła mówimy o wysychaniufilmu (ang. dryout).

Należy nadmienić, że duże prędkości pary, które są charakterystyczne dla tego przypadku, przyczyniają się do intensywnego przejmowania ciepła odścianek kanału.

W konsekwencji spadek współczynnika przejmowania ciepła podczas wyschnięcia ścianek nie jest aż tak gwałtowny jak ten, z którym mamy do czynienia podczas zmiany mechanizmu wymiany ciepła z wrzenia pęcherzykowego na wrzenie błonowe, przy takim samym masowym natężeniu przepływu.

1. Drugi kryzys wrzenia w przepływie – mechanizm powstawania.

2. Model jednorodny – założenia, wady i zalety.

1. Założenia

- Przepływ dwufazowy traktujemy jako jednorodną mieszaninę, gdzie faza ciekła i parowa przemieszczają się z jednakowymi prędkościami

-Poślizg międzyfazowy (stosunek prędkości fazy parowej do ciekłej) s=1

-Równania zachowania opisujące przepływ są identyczne jak dla przepływu jednofazowego

1. Zalety:

-Prosty, spójny, bez żadnych dwuznaczności.

- Dobry w analizie przepływów pęcherzykowych oraz kroplowych, dla dużych prędkości przepływu i niedużego poślizgu

c) Wady:

- Nie odpowiedni do analizy przepływów w których objawia się rozwarstwienie przepływu

1. Model poślizgowy – założenia, wady i zalety.

2. Model dwupłynowy czteropolowy – idea modelu, wykresy stopnia zapełnienia kanału dla różnych struktur.

1. Idea modelu

- Podstawą modelu jest przyjęcie dwóch ośrodków ciągłych (continuów) odpowiadających dwóm fazom: ciekłej i gazowej. Każdy punkt przestrzeni należy do obu ośrodków ciągłych oraz dodatkowo formułuje się sprzężenia między tymi ośrodkami

1. Wykresy stopnia zapełnienia kanału dla różnych struktur:

1. Wyznaczanie spadku ciśnienia w przepływie dwufazowym – 3 składowe, mnożnik dwufazowy – definicja, zastosowanie.

1. 3 składowe

TP- spadek ciśnienia spowodowany tarciem w przepływie dwufazowym

h- człon związany z przyciąganiem ziemskim (ciśnienie hydrostatyczne)

a – spadek ciśnienia spowodowany zmianą pędu mieszaniny(człon przyspieszeniowy)

1. Mnożnik dwufazowy

   1. Definicja-

ΔpTP oznacza straty ciśnienia w przepływie dwufazowym a ΔpO całkowity spadek ciśnienia w przepływie, w którym występowałaby tylko ciecz lub para, czyli ΔpO=Δpl dla cieczy lub ΔpO= Δpv dla pary.’

1. Zastosowanie- wykorzystuje się je ponieważ opory przepływu dwufazowego są większe niż w przepływie jednofazowym o tym samym natężeniu przepływu. Znając natężenie przepływu jednofazowego, posiadając mnożnik dwufazowy możemy uzyskać wartość oporów przepływu dwufazowego

1. Wrzenie pęcherzykowe - omówić proces powstawania i wzrostu pęcherzyka.

2. Wyznaczanie współczynnika przejmowania ciepła podczas wrzenia w przepływie.

3. Zasada działania rurki ciepła.

4. Różnica między kondensacją błonową i kroplową.

5. Wymień założenia upraszczające przy rozważaniu kondensacji na pionowej ściance (teoria Nusselta).

6. Sposoby intensyfikacji wymiany ciepła podczas kondensacji na rurach poziomych.

7. Kondensacja w przepływie w kanałach poziomych – przejście przez kolejne struktury. Wpływ powietrza na kondensację pary wodnej.