Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\ARCHIWUM-lata-78-71\MTS73_t11z1_4\mts73_t11z2.pdf M E C H A N I K A  TEORETYCZNA  I  STOSOWANA  2,  11 (1973)  RZECZYWISTY  UKŁAD  SIŁ DZIAŁAJĄ CYCH  U  PODSTAWY  PĘ CHERZYKA  PAROWEGO  BOGUMIŁ  B I E N I A S Z  (RZESZÓW)  1. Oznaczenia  a  stalą  w  równaniu  Van der Waalsa,  b  jak  wyż ej,  Bi  współczynnik  wirialny  w  termicznym  równaniu  stanu  gazu  Van der Waalsa,  T  temperatura,  Ts  temperatura  nasycenia,  ji  ś redni  kąt przylegania,  <5S  napię cie  powierzchniowe  na  granicy  fazy  ciekłej  i  gazowej  substancji  wrzą cej  w  temperaturze  Ts,  ó'  napię cie  powierzchniowe  na  granicy  cieczy  wyż ej  wrzą cej  i  niż ej  wrzą cej  w  temperaturze  Ts,  "'s' napię cie  powierzchniowe  na  granicy  cieczy  wyż ej  wrzą cej  i  pary  cieczy  niż ej  wrzą cej  w  tempe­ raturze  7̂ ,  xs  naprę ż enie  zwilż ają ce  w  temperaturze 7Л ­.  2.  Sformułowanie  problemu  W  pracy  zaję to  się u k ł a d e m  sił działają cych  u  podstawy  p ę c h e r z y ka  parowego  w czasie  nasyconego  wrzenia  w z b i o r n i k u  cieczy  niż ej  wrzą cej  na powierzchni  cieczy  wyż ej  wrzą cej.  Rysunek  1 przedstawia p ę c h e r z yk parowy w momencie  wzrostu  przy  powierzchni  grzejnej  Rys.  1  z  zaznaczeniem  sił  działają cych  na  j e d n o s t k ę  długoś ci  obwodu  styku  trzech  faz.  P r ó c z  n a p i ę ć  powierzchniowych  as,  a's, a's'  w grę  wchodzi  jeszcze  n a p r ę ż e n ie  zwilż ają ce  % s .  Poję cie  n a p r ę ż e n ia  zwilż ają cego  wystę puje  po  raz pierwszy  u  RUCKENSTEINA  [1],  k t ó r y  posłuż ył  się n i m  celem  wyjaś nienia  ruchu  cienkiej  warstwy  cieczy  przy  powierzchni  grzejnej  p o d  kolumnami  pary,  k t ó r e  tworzą  się przy  duż ych  strumieniach  cieplnych.  R u c h  ten ma  miejsce  dzię ki  n a p r ę ż e n i om  stycznym  w y w o ł a n y m  d z i a ł a n i e m  mię dzyczą steczkowych  sił  160  В .  BIENIASZ  z w i l ż a n ia  powierzchniowego  w  warunkach  istnienia  «suchego»  miejsca  na  powierzchni  grzejnej  p o d k o l u m n ą  pary.  Jakkolwiek  geometria  wrzenia  p ę c h e r z y k o w e go  odbiega  od  geometrii  wrzenia  przy  w y s t ę p o w a n iu  k o l u m n  pary,  to  z  punktu  widzenia  d z i a ł a n i a sil  m i ę d z y c z ą s t e c z k o w y ch  przypadek jest analogiczny,  co  pozwala na uż ycie  poję cia  n a p r ę ż e n ia  zwilż ają cego  i w tym  przypadku.  Przyjmują c,  że naprę ż enie  zwilż ają ce  działa  w  kierunku  i  ze zwrotem j a k na  rysunku  otrzymuje się   (1)  Xs =  a's'­a's­ascosfi.  W  poprzedniej  pracy  [2] autor  wyznaczył  p r z y b l i ż o ne  wartoś ci  % dla  cykloheksanu,  n­heksanu,  1­chlorku  butylu  i cis­2­pentenu  wrzą cych  na wodnym  roztworze  C a C l 2  o gę sto­ ś ci  1390  k g / m 3  w temperaturze  20°C  oraz  dla  n­pentanu  wrzą cego  na wodzie  destylowanej.  Obliczenia  przeprowadzono  w oparciu  o wartoś ci  a, a' i a" w temperaturze  20°C,  podczas  gdy  ką ty  przylegania  dotyczyły  konkretnych  p r z y p a d k ó w  wrzenia.  Otrzymane  w  ten'  s p o s ó b  wyniki poddano w obecnej pracy weryfikacji,  wyznaczając  doś wiadczalnie  wartoś ci a  oiaz  a's'. W a r t o ś ci  as  oraz  fi  wzię to  z  pracy  [2], gdzie  mię dzy  innymi  zamieszczono  opis  instalacji  do realizacji  wrzenia jak również  opisano  pomiary  k ą t ów  przylegania.  3.  Przebieg  i  wyniki  pomiarów  napięć  powierzchniowych  Celem  okreś lenia  a's i a" wyznaczono  doś wiadczalnie  korelacje  a'(T) i  a"(T),  stosując  m e t o d ę  zwisają cej  k r o p l i  i p r o c e d u r ę  opisaną  w  [2]. W skład  u k ł a d u  pomiarowego  wchodził  zbiorniczek  pomiarowy  /  (rys.  2) umieszczony  w cieczy  naczynia  termostatowego 2 z  grzej­ nikiem,  m i e s z a d ł e m  3  i  termometrem  4. Obraz  wiszą cej  k r o p l i  fotografowano  przez  otwory  wziernikowe 5 i 6 na tle  matowej  szyby  7, podś wietlonej  p r o s t o p a d ł ą  wią zką  ś wiatła z lampy  para­ boloidalnej  8. U ż y to  aparatu  fotograficznego  Zenit  3 M z  p i e r ś ­ cieniami  dystansowymi.  N i e k t ó r e  szczegóły  zbiorniczka  pomiarowego  przedsta­ wiono  na  rys. 3.  Zbiorniczek  o  kształcie  poziomego  cylin­ derka  był zawieszony  u  pokrywy  9 za  p o ś r e d n i c t w em  wluto­ wanej  d o ń r u r k i  10 i  w k r ę t ów  dociskowych.  R u r k a  ta  służ yła  j e d n o c z e ś n ie  do wprowadzenia  do zbiorniczka  rurki  kapilarnej  11 o  ś rednicy  2,56  mm,  k t ó r a  swym  g ó r n y m  k o ń c em  wchodziła  do  zasobnika  12 cieczy  wyż ej  wrzą cej.  Celem  przeprowadzenia  p o m i a r ó w  a',  zbiorniczek  pomiarowy  był n a p e ł n i a n y  za po­ m o c ą  drugiej  r u r k i  13  cieczą  niż ej  wrzą cą  k i l k a  m i l i m e t r ó w  Rys.  2  Rys.  3  RZECZYWISTY  UKŁAD  SIŁ  U  PODSTAWY  PĘ CHERZYKA  PAROWEGO  161  powyż ej  dolnego  k o ń ca  kapilary.  W  czasie  p o m i a r ó w  a"  ciecz  niż ej  wrzą ca  wypełniała  jedynie  czę ść  p r z y d e n n ą  zbiorniczka  pomiarowego.  R u r k a  13  służ yła  też  do  umiesz­ czania  termometru  14  w  zbiorniczku  pomiarowym.  Zdję cia  k r o p l i  wykonywano  po  ustaleniu  się  temperatury  odczytywanej  za  p o m o c ą   termometru  14  oraz  po  osią gnię ciu  przez  k r o p l ę  kształt u  umoż liwiają cego  wykorzystanie  zdję cia  we  wspomnianej  metodzie.  Szybkość  tworzenia  się  k r o p l i  regulowano  za  p o m o c ą   zacisku  na  gumowej  rurce  15'. Czas  tworzenia  się  k r o p l i  wynosił  o k o ł o  1  m i n .  n-heksan  x  20 30 40 50 BO 70 T°C Rys.  5  3  Mechanika  Teoretyczna  i  Stosowana  2/73  162  В .  BlEN'IASZ  Rysunek  4  przedstawia  wyniki  p o m i a r ó w  a'(T)  rys. 5  zaś  wyniki  p o m i a r ó w  a"(T).  W a r t o ś ci  dla  temperatury  nasycenia  otrzymano  przez  ekstrapolację.  D l a cis­2­pentenu  obliczono  a's i  a'ś na  podstawie  a'  i a" przy  temperaturze  20°C  (por. [2]) przy  założ eniu  da'IdTorziz da"/dTjak dla  n­pentanu.  D l a  ilustracji  przeprowadzonych  p o m i a r ó w  na rys. 6  zestawiono  k i l k a  zdjęć  przedstawiają cych  krople  roztworu  C a C l 2  zwisają ce  u  k o ń ca  kapilary  w powietrzu  nasyconym  p a r ą  1­chlorku  butylu,  na  rys.  7 zaś  krople  wody  desty­ lowanej  w n­pentanie  przy  r ó ż n y ch  temperaturach.  Rys.  6  П е "С   28,Б °С   33/1 "С   Rys.  7  4.  Korelacja  naprę ż enia  zwilż ają cego  N a p r ę ż e n ie  zwilż ają ce,  zwią zane  z  silami  mię dzyczą steczkowymi,  jest  wspólną  w ł a s n o ­ ś cią  cieczy  wrzą cej  i substancji  powierzchni  grzejnej.  D l a  d o ś w i a d c z eń  z tą  samą  powierz­ chnią  grzejną  w a r t o ś ć  Xs  musi  zależ eć  od własnoś ci  samej  cieczy  wrzą cej  i dlatego  w tym  przypadku  musi  istnieć  zależ ność  %s od  pewnych  własnoś ci  fizycznych  cieczy.  P o n i e w a ż   natura  sił mię dzyczą steczkowych  jest  reprezentowana  przez  współczynnik  wirialny  w  r ó w ­ naniu  stanu,  m o ż e  on być  wzię ty  j a k o  miara.  Dlatego na  p r ó b ę  s p o r z ą d z o no  korelację  na­ •  RZECZYWISTY  UKŁAD  SIŁ  U  PODSTAWY  PĘ CHERZYKA  PAROWEGO  163  p r ę ż e n ia  zwilż ają cego  w  stosunku  do  współczynnika  w i r i a l n e g o 5 , ( r ) z  najprostszego  przy­ padku  r ó w n a n i a  V a n  der  Waalsa,  przy  czym  (2)  B ^ b ­ i T 7  Korelacja  ta  jest  przedstawiona  na  rys.  8.  L i n i a  kreskowana  reprezentuje  w y n i k i  otrzymane  przy  uż yciu  wartoś ci  n a p i ę ć  powierzchniowych  dla  20°C  (por.  [2]).  N a  rys.  9  przedstawiono  a/RTs­10" m 3/mol Rys.  9  zależ ność Xs  od a/(RTs).  W  obu  przypadkach  z a ł o ż o n o,  że Xs  zanika  dla  zwilż ania  sub­ stancji  przez  samą  siebie,  tak  że  dla  wody  na  wodzie  %s  =  0.  Pozostaje  jeszcze  otwarta  kwestia  j a k ą  jest  zależ ność  n a p r ę ż e n ia  zwilż ają cego  od  Bi  dla  cieczy  wrzą cej  i  Ti,  dla  po­ wierzchni  grzejnej.  3* 164  В .  BIENIASZ  Literatura  cytowana  w  tekś cie  1.  E . RUCKENSTEIN,  Remarks  on nucleate  boiling  heat  transfer  from  a horizontal surface,  Int.  J . Heat and  Mass Transfer,  3, 9  (1966).  2.  В. BIENIASZ,  Naprę ż enie  zwilż ają ce  działają ce  na pę cherzyk  parowy  w  czasie  wrzenia,  Mech.  Teoret.  i  Stos.  4,  9  (1971).  Р е з ю ме   Д Е Й С Т В И Т Е Л Ь Н АЯ  С И С Т Е МА  С ИЛ  Д Е Й С Т В У Ю Щ ИХ   Н А  О С Н О В А Н ИЕ  П А Р О В О ГО  П У З Ы Р КА   В  р а б о те  п р о в е р е на  м о д е ль  с и л,  д е й с т в у ю щ их  на о с н о в а н ие  п а р о в о го  п у з ы р ь ка  во в р е мя н а­ с ы щ е н н о го  к и п е н ия  в  с о с у д е.  О б н а р у ж е н о,  ч то в  с и л о в ом  б а л а н се  с л е д у ет  у ч и т ы в а ть  т ак н а з ы в а е­ м ое  у в л а ж н я ю щ ее  н а п р я ж е н и е.  Д ля  п я ти  ж и д к о с т е й,  к и п я щ их  на ж и д к ой  н а г р е в а ю щ ей  п о в е р х­ н о с т и,  и з м е р е ны  з н а ч е н ия  у в л а ж н я ю щ их  н а п р я ж е н и й.  У с т а н о в л е на  з а в и с и м о с ть  м е ж ду  у в л а ж н я­ ю щ им  н а п р я ж е н и ем  и  п е р в ым  в и р и а л ь н ым  к о э ф ф и ц и е н т о м.  S u m m a r y  A C T U A L  SYSTEM OF FORCES  A C T I N G A T T H E BASE O F A VAPOUR  BUBBLE  The  paper presents a verification of a certain model of forces  acting on the  base of  vapour bubble in  saturated  pool  boiling.  It  is  established  that  the  so­called  wetting  tension  must  be  taken  into  account in  the  balance of  forces  acting on the  bubble. The values of  the  wetting  forces  are measured for five liquids  boiling  on  the  heating  surface.  The relationship  between the  wetting  tension  and the  virial  coefficient  is  established.  WYŻ SZA  SZKOLĄ  INŻ YNIERSKA,  RZESZÓW  Praca została  złoż ona  w Redakcji  dnia  20 listopada  1972  r.