W niniejszej publikacji przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dotyczących rozwoju wrzenia czynnika chłodniczego w przepływie. Wykazano, że proces wrzenia w ogrzewanym kanale rozpoczyna się na ściance, w przekroju wypływowym cieczy z kanału, to jest w miejscu o największym przegrzaniu. Następnie formuje się wrzący front, który przemieszcza się w kierunku przeciwnym do przepływu czynnika. Stwierdzono, że zjawisko rozwoju wrzenia ma charakter falowy. Opracowano korelację pozwalającą obliczyć prędkość przemieszczania się frontu wrzenia. 

    Zasada działania niektórych maszyn i urządzeń energetycznych bazuje na wykorzystaniu przemian fazowych czynnika energetycznego w obiegu termodynamicznym. Pod pojęciem czynnik energetyczny rozumie się, zarówno nośnik energii, jak również czynnik termodynamiczny podlegający przemianom i uczestniczący w konwersji energii, w sposób bezpośredni lub pośredni. Do czynników energetycznych zalicza się, między innymi, wodę, czynniki chłodnicze, wodne roztwory soli itp. Jako udokumentowany należy uznać fakt, że przemiany fazowe czynników energetycznych występujące w parownikach i skraplaczach maszyn i urządzeń są bardzo „wrażliwe” na wszelkie, pojawiające się w eksploatacji zakłócenia, zarówno o charakterze zewnętrznym, jak i wewnętrznym. Zakłócenia zewnętrzne są zwykle wynikiem wzajemnego oddziaływania różnych elementów składowych układu, na przykład mogą być wywoływane pracą elementów automatyki, zakłóceniami w pracy maszyn (takich jak pompy, turbiny, sprężarki itp.), przerwami w zasilaniu prądem elektrycznym itp. Przyczyny powstawania zakłóceń wewnętrznych można ogólnie podzielić na dwie grupy, bowiem mogą one tkwić bezpośrednio w mechanizmie przemian fazowych lub w strukturze i właściwościach czynnika roboczego [8].
    Wrzenie i skraplanie podczas przepływu w kanałach rurowych parownika i skraplacza traktuje się zwykle jako przepływ dwufazowy z wymianą ciepła. W przemianach fazowych występuje kilka następujących po sobie etapów, związanych z tworzeniem nowej fazy (parowej – w przypadku wrzenia i ciekłej – podczas skraplania) w mieszaninie dwufazowej, wskutek oddziaływań energetycznych z ogrzewaną lub chłodzoną powierzchnią ścianki kanału. Na podkreślenie zasługuje fakt, że są to nie tylko bardzo złożone zjawiska, ale nie można ich (wrzenie i skraplanie) na ogół traktować jako procesy w pełni odwrotne. Poza tym brak jest dotychczas uogólnionego modelu, opisującego przenoszenie energii w tych procesach. Proces wrzenia w przepływie powinien, z teoretycznego punktu widzenia, rozpoczynać się od stanu cieczy nasyconej (stopień suchości x = 0) i dla pełnego odparowania kończyć się w stanie pary nasyconej suchej (x = 1). Traktowany podobnie teoretyczny proces skraplania powinien, rozpoczynać się od stanu pary nasyconej suchej (x = ) i trwać do stanu cieczy nasyconej (x = 0). W praktyce podany wyżej zakres, obejmujący występowanie przemian fazowych, ulega rozszerzeniu o wrzenie przechłodzone i częściowe skraplanie w obszarze pary przegrzanej. Towarzyszą im także inne zjawiska, które mają istotny wpływ na proces wymiany ciepła, pędu i masy (np. zjawiska kryzysowe, niestabilności o charakterze falowym itp.).

Interpretacja jakościowa przyczyn niestabilności
    Z prowadzonych w ostatnich latach doświadczeń wynika, że układy dwufazowe wykazują interesujące własności falowe. Dotyczy to w szczególności rozchodzenia się zaburzeń przemieszczających się w tych układach [2, 7, 12].
    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 rozchodzenia się wywołanego zaburzenia zewnętrznego lub wewnętrznego. Widać to już wyraźnie na przykładzie rozchodzenia się fali dźwiękowej w adiabatycznym układzie dwufazowym. Prędkość fali dźwiękowej zależy przede wszystkim od wartości stopnia zapełnienia Φ i od ciśnienia mieszaniny dwufazowej [11].
    Procesy rozpoczęcia wrzenia związane są z uzyskaniem odpowiednio dużego przegrzania cieczy. Rozwojowi wrzenia towarzyszą często niestabilności w mikroskali, np. w postaci histerezy zarodków pary, mogą również dotyczyć całego zjawiska w skali makroskopowej (zerowy kryzys wrzenia). Mitrovič i Fauser wykazali [10], że rozwój wrzenia w przegrzanej cieczy ma charakter falowy. Wskazuje na to również dokładna analiza prac Bilickiego [2, 3] i Bohdala [5, 6].
    Obserwacje i szczegółowe badania dowodzą, że przy umiarkowanych przegrzaniach cieczy, ma miejsce formowanie się pęcherzyków pary zwykle na powierzchniach, które są w bezpośrednim kontakcie z cieczą. O chwili rozpoczęcia generacji pęcherzyków pary w pewnym miejscu na powierzchni, para rozprzestrzenia się wzdłuż tej powierzchni tworząc tak zwany „wrzący front”, którego prędkość rozchodzenia się zależy od stopnia przegrzania cieczy. Zjawisko to jest związane ze zmianą mechanizmu wymiany ciepła. Następuje jakościowa zmiana mechanizmu wymiany ciepła, czyli przejście od konwekcji wymuszonej w cieczy do wrzenia z generacją pęcherzyków pary. Przy wyższych przegrzaniach cieczy konwekcja zostaje zastąpiona wrzeniem błonowym. Wzrost prędkości wrzącego frontu i kinetyka zmiany fazy następują w warunkach metastabilnych w ośrodku heterogenicznym [4, 12, 13]. (...)

Stanowisko badawcze
(...)

Wyniki badań eksperymentalnych
(...)

Analiza wyników badań
(...)

Wnioski
    Badania eksperymentalne wykazały falowy charakter rozwoju wrzenia w ogrzewanym kanale. Proces wrzenia rozpoczynał się w przekroju wypływowym kanału i w postaci frontu wrzenia przemieszczał się w kierunku przeciwnym do przepływu czynnika chłodniczego.
    W celu rozpoczęcia procesu wrzenia należy uzyskać dostateczne przegrzanie cieczy na ściance kanału. Wartość tego przegrzania ujmuje bezwymiarowy współczynnik B. W badanym zakresie parametrów minimalna wartość współczynnika B, przy której rozpoczyna się proces wrzenia wynosi B ≈ 4.
    Dla badanych przypadków rozwoju wrzenia w szczelinie pierścieniowej stwierdzono, że prędkość frontu wrzenia wynosi około vT = 0,3 m/s, gdy wartość współczynnika B ≈ 4. W przypadku większego lokalnego przegrzania cieczy prędkość vT wzrasta do wartości około 0,6 m/s, gdy B ≈ 6.
    W wyniku przeprowadzonych eksperymentów uzyskano empiryczną zależność (7), która może być wykorzystana do wyznaczenia prędkości frontu podczas rozwoju wrzenia czynników chłodniczych w kanałach rurowych.