Μελέτη φαινομένου διασποράς ροής υγρού υμένα
Resumen
Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική μελέτη του φαινομένου της
διασποράς κατά τη ροή του υμένα σε επίπεδο κεκλιμένο τοίχωμα. Ροή υγρού υμένα
απαντάται σε συσκευές εναλλαγής θερμότητας, όπως εξατμιστήρες και συμπυκνωτές (falling
film evaporators) και σε συσκευές εναλλαγής μάζας, όπως στήλες απορρόφησης με
πληρωτικά υλικά. Απαντάται επίσης και σε άλλες πιο σύγχρονες τεχνολογικές διεργασίες,
όπως είναι οι ηλεκτροχημικές επιμεταλλώσεις και οι χημικές μετατροπές σε καταλυτικούς
αντιδραστήρες. Από την άλλη, η διασπορά είναι μια μορφή ανάμειξης, οπότε σε ένα
μικροσκοπικό επίπεδο περιλαμβάνει διάχυση μορίων. Κατά βάση, όμως, η διασπορά είναι η
συνεργασία της ροής και της διάχυσης, για να δημιουργήσουν διασπορά. Δηλαδή, με άλλα
λόγια, η διασπορά είναι ένα σημαντικό αποτέλεσμα του συνδυασμού της διαφοράς
συγκέντρωσης και της ροής ρευστού.
Ο σχηματισμός του υμένα γίνεται με τη χρήση πειραματικής συσκευής (κανάλι ροής)
ανάλογης αυτής του Liu και η παρατήρηση του με τη μέθοδο απεικόνισης με φθορισμό
(fluorescence imaging method). Επιπλέον, για την παραγωγή μη γραμμικής διαταραχής
ελεγχόμενης συχνότητας, που χρειαστήκαμε, χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη διάταξη με κύρια
στοιχεία τη γεννήτρια σήματος, τον ρελαί και τον ηλεκτρομαγνήτη.
Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν τα φαινόμενα της διάχυσης και της
διασποράς. Αρχικά, για το φαινόμενο της διάχυσης χρησιμοποιήθηκε διάλυμα χρωστικής
ουσίας σε διάλυμα νερού και γλυκερίνης 20% κ.β. Έγιναν δύο είδη πειραμάτων με διαλύματα
διαφορετικής περιεκτικότητας σε χρωστική ουσία κάθε φορά. Στην πρώτη σειρά πειραμάτων
χρησιμοποιήθηκε λιγότερη ποσότητα χρωστικής ουσίας, ενώ πήραμε τρία διαφορετικά πάχη
υμένα, h=0.69 mm., h=1.41 mm. και h=1.90 mm. Στη δεύτερη σειρά πειραμάτων
χρησιμοποιήθηκε περισσότερη ποσότητα χρωστικής, ενώ πήραμε ένα μόνο πάχος υμένα,
h=0.51 mm. Για τα πειράματα αυτά χρησιμοποιήσαμε γυάλινο στρογγυλό δοχείο, το οποίο
τοποθετήθηκε πάνω στο κανάλι ροής, το οποίο σε αυτή τη φάση ήταν επίπεδο.
Για τη μελέτη του φαινομένου της διασποράς χρησιμοποιήθηκε, επίσης, διάλυμα
χρωστικής ουσίας σε διάλυμα νερού και γλυκερίνης 20% κ.β., ενώ σε όλα τα πειράματα
αυτής της σειράς χρησιμοποιήθηκε διάλυμα ίδιας περιεκτικότητας σε χρωστική ουσία. Για τα
πειράματα αυτά χρησιμοποιήσαμε αντλία με τη βοήθεια της οποίας αντλούσαμε διάλυμα
χρωστικής από το δοχείο που αυτό είχε τοποθετηθεί και το ρίχναμε στο κανάλι ροής. Έγιναν
δυο είδη πειραμάτων, χωρίς διαταραχή και με διαταραχή. Στο πείραμα χωρίς διαταραχή, ο αριθμός Reynolds είναι Re = 21 και το πάχος υμένα είναι h =675.65 mm., ενώ στο πείραμα
με διαταραχή, ο αριθμός Reynolds είναι Re= 20, το πάχος υμένα είναι h =668.5 mm., ενώ η
συχνότητα της διαταραχής είναι ν=1.5Ηz. Τέλος, θα πρέπει να σημειώσουμε ότι σε αυτή τη
σειρά πειραμάτων το κανάλι ροής είχε κλίση ίση με 3.4°. Οι εικόνες που προέκυψαν
υπέστησαν ψηφιακοποίηση και επεξεργάστηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου
MatLab.
Αποτέλεσμα των πειραμάτων διάχυσης ήταν να αποτύχουμε να απομονώσουμε καθαρή
διάχυση μια και το φαινόμενο της συναγωγής έπαιξε σημαντικό ρόλο. Στη συναγωγή,
άλλωστε, οφείλεται η συνολική μετακίνηση της σταγόνας και η παραμόρφωση της.
Εκτιμούμε ότι το φαινόμενο της συναγωγής προέρχεται από τον τρόπο εισαγωγής του
δείγματος του διαλύματος της χρωστικής και από τη φυσική συναγωγή που υπάρχει, η οποία
προέρχεται από τη διαφορά συγκέντρωσης μεταξύ του νερού και διαλύματος χρωστικής και
από τη διαφορά θερμοκρασίας στην οποία οφείλεται το φαινόμενο της εξάτμισης.
Για τη σειρά πειραμάτων χωρίς διαταραχή, όταν έχουμε μικρή παροχή χρωστικής, η
μέγιστη ένταση του φωτός είναι χαμηλή. Όσο, τώρα, αυξάνεται η παροχή, αυξάνεται και η
ένταση του φωτός μέχρι να φτάσουμε σε μια ικανοποιητική παροχή στην οποία
σταθεροποιείται η ένταση του φωτός. Πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι η ένταση του φωτός στο
παρών πείραμα συνδέεται κύρια με τη συγκέντρωση χρωστικής. Εκεί που έχουμε μεγαλύτερη
ποσότητα χρωστικής, έχουμε και υψηλότερη ένταση φωτός. Τέλος, επειδή σε αυτή τη σειρά
πειραμάτων δεν έχουμε διαταραχή, το ύψος (πάχος υμένα) δεν μεταβάλλεται χρονικά.
Ακριβώς τα ίδια συμπεράσματα βγάζουμε και από τη σειρά πειραμάτων με διαταραχή,
με τη μόνη διαφορά ότι σε αυτή τη περίπτωση η ένταση του φωτός επηρεάζεται τόσο από το
πάχος του υμένα όσο και από τη συγκέντρωση χρωστικής. Επειδή σε αυτή τη σειρά
πειραμάτων έχουμε και διαταραχή, το ύψος (πάχος υμένα) μεταβάλλεται χρονικά. ʼρα, το
βασικότερο συμπέρασμα του πειράματος είναι ότι ύπαρξη μεγάλων διδιάστατων κυμάτων
ενισχύει την εγκάρσια διασπορά του ιχνηθέτη.
Academic publisher
Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιομηχανίας.