W pracy przedstawiono wybrane zagadnienia z modelowania procesów wrzenia i kondensacji w przepływie w kanałach konwencjonalnych oraz mini- i mikrokanałach. Uwagę skupiono na wrzeniu w przepływie, zjawisku wysychania filmu cieczowego na ściance oraz w kondensacji w przepływie. Szereg laboratoriów badawczych na świecie od lat pracuje nad lepszym zrozumieniem i opisaniem zjawisk mających miejsce w tych procesach. Istniejące modelowanie opiera się przede wszystkim na opracowaniu danych eksperymentalnych w postaci korelacji empirycznych. Nie ma modeli, które brałby pod uwagę mechanizmy dominujące podczas poszczególnych struktur biorących udział w wymianie ciepła. Dopiero w ostatnim okresie pojawiły się badania włączające w modelowanie w strukturę przepływu. Powstałe w ten sposób modele ni mogą być rekomendowane szerszemu gronu projektantów urządzeń cieplno – przepływowych. Opierają się na mapach przepływów, które nie zostały stworzone dla wszystkich płynów. Metody tego typu nie mogą być więc uogólniane. W związku z powyższym w pracy zaprezentowano oryginalny model procesu wrzenia w przepływie w kanałach o średnicach konwencjonalnych i mini kanałach. Przedstawiono weryfikację eksperymentalną tego modelu na szeregu danych eksperymentalnych, zarówno własnych jak i literaturowych. Podstawy teoretyczne tego modelu umożliwiły zastosowanie tej metody do przewidywania współczynników przejmowania ciepła podczas kondensacji w przepływie, dając w efekcie porównywalne wyniki z najlepszymi korelacjami empirycznymi dotyczącymi kondensacji w przepływie w kanałach o małej średnicy, minikanałach i mikrokanałach, że w takim przypadku najważniejsze jest skorelowanie współczynnika przejmowania ciepła z oporami przepływu. Im lepsza zależność opisująca opory przepływów, tym bardziej dokładny jest model wymiany ciepła. Wiele najnowszych prac w literaturze wskazuje na ten fakt w sposób pośredni, niemniej dopiero rozważania teoretyczne przedstawione w niniejszej pracy potwierdzają w sposób bezpośredni ten fakt. W pracy opisano także model pierwszego kryzysu wrzenia dla dużych stopni suchości i średnich strumieni ciepła. Wyniki otrzymane za pomocą tego modelu SA bardzo obiecujące w porównaniu z badaniami eksperymentalnymi.

Całość rozważań została zastosowana do projektowania mikrowymienników ciepła typu parownik i skraplacz. Zaproponowano oryginalny algorytm obliczeń, za pomocą którego możliwe jest wyznaczenie podstawowych wymiarów tych wyznaczników ciepła. Podstawową ideą projektowanych wymienników jest założenie z góry długości kanałów jak też i średnicy hydraulicznej kanałów, w których będzie następowała wymiana ciepła. Zbyt długie, a jednocześnie o małej średnicy hydraulicznej kanały mogą prowadzić do zbyt dużych spadków ciśnień, co nie znajduje akceptacji ze względu na sprawność w małej gabarytowo mikrosiłowni.

Spis treści

1. Wprowadzenie

2. Wrzenie w przepływie

   1. Wstęp

   2. Wrzenie w przepływie w kanałach konwencjonalnych

      1. Struktury przepływu dwufazowego

      2. Początek wrzenia w przepływie

      3. Pierwszy kryzys wrzenia

      4. Wymagania ciepła po kryzysie wrzenia

      5. Podsumowanie

   3. Modele oporów przepływu w kanałach konwencjonalnych

      1. Modele Lockharta i Martinellego

      2. Model Grönneruda

      3. Model Chisholma

      4. Model Lottesa i Flinta

      5. Model Müllera – Steinhageba i Hecka

      6. Model Friedla

   4. Modele warzenia w objętości użyte w korelacjach opisujących wrzenie w przepływie

      1. Model Rohsennowa

      2. Model Forstera i Zubera

      3. Model Coopera

      4. Uogólniony model Coopera

      5. Model Gorenflo

      6. Model Stephena i Abdelsalama

   5. Specyfika wrzenia w przepływie w kanałach o małej średnicy

      1. Wstęp

      2. Wrzenie w przepływie w kanałach o małej średnicy

      3. Struktury przepływów

      4. Wymiana ciepła

3. Modelowanie matematyczne wrzenia w przepływie

   1. Przegląd modeli wrzenia w przepływie w kanałach konwencjonalnych

      1. Korelacja Chena

      2. Korelacja Gungora i Wintertona

      3. Korelacja Liu i Wintertona

      4. Korelacja Steinera i Taborka

      5. Korelacja Shaha

      6. Korelacja Kandlikara

      7. Korelacja Kattana i innych

   2. Przegląd modeli wrzenia w mikrokanałach

      1. Specyfika oporów przepływu z wrzeniem w mikrokanałach

      2. Specyfika wymiany ciepła przy wrzeniu w przepływie w mikrokanałach

      3. Podsumowanie

   3. Półempiryczny model dyssypacyjny wrzenia w przepływie w kanałach konwencjonalnych

      1. Energia dyssypacji w przepływie dwufazowym

      2. Wymiana ciepła w przepływie dwufazowym z nukleacją

      3. Podsumowanie

   4. Modyfikacje własne półempirycznego modelu dyssypacyjnego

      1. Modyfikacje poprawki współczynnika korekcyjnego P

      2. Modyfikacje mnożnika dwufazowego R

   5. Modyfikacje dwufazowego współczynnika oporu dla przepływu w mikrokanałach

   6. Badanie wpływu doboru korelacji opisującej opory dwufazowe i wrzenie w objętości na dokładność obliczeń współczynnika przejmowania ciepła

      1. Wpływ korelacji opisującej opory w przepływie dwufazowym

      2. Wpływ korelacji opisującej współczynnik przejmowania ciepła dla wrzenia w objętości

      3. Baza danych eksperymentalnych dla kanałów konwencjonalnych

      4. Porównanie korelacji z modelami empirycznymi z literatury

   7. Podsumowanie

4. Badanie eksperymentalne – stanowisko badawcze

   1. Metoda wyznaczania lokalnych współczynników przejmowanie ciepła

   2. Metoda wyznaczania równań korelacyjnych ciśnienia

   3. Metoda wizualizacji przepływu

   4. Badania eksperymentalne dla rur gładkich o małej średnicy

   5. Porównanie korelacji z badaniami innych autorów dla wybranych czynników

      1. Wyniki obliczeń dla wody

      2. Wyniki obliczeń dla dwutlenku węgla

      3. Wyniki obliczeń dla czynnika R134a

      4. Wyniki obliczeń dla czynnika R123 w mikrokanałach

   6. Podsumowanie

5. Badania kryzysu wrzenia w przepływie

   1. Model zjawiska wysychania filmu cieczy

   2. Badania eksperymentalne

   3. Badania eksperymentalne kryzysu wrzenia w mikrokanałach

   4. Podsumowanie

6. Kondensacja w kanałach poziomach o małych średnicach

   1. Przegląd stanu wiedzy

      1. Struktury przepływu

      2. Spadek ciśnienia podczas kondensacji w przepływie

      3. Wymiana ciepła podczas kondensacji w przepływie

      4. Podsumowanie kondensacji w mikrokanałach

   2. Korelacje opisujące wymianę ciepła podczas kondensacji

   3. Porównywanie z istniejącymi modelami kondensacji w przepływie

7. Zastosowanie modelu wrzenia w przepływie dla projektowania parownika i skraplacza dla mikrosiłowni (CHP)

   1. Wprowadzenie

   2. Algorytm projektowania mikroekuperatorów

      1. Algorytm projektowania skraplacza

      2. Algorytm projektowania parownika

   3. Wymiary wymienników ciepła typu skraplacz i parownik

   4. Podsumowanie

8. Zakończenie