Hidrológiai tájékoztató, 1981

1. szám, április - ÁLTALÁNOS VONATKOZÁSÚ CIKKEK - Thoma Frigyes: A pára áramlása függőleges csőben

A pára áramlása függőleges csőben THOMA FRIGYES Vízgazdálkodási Tudományos Kutatóközpont Előzmények A Hidrológiai Tájékoztató 1976. évi számában a vízpára áramlásával kapcsolatosan végzett sebesség mérések eredményéről (1) számoltunk be. A hivatkozott tanulmány keretén belül csak a laboratóriumban végzett mérési adatokat dolgoztuk fel. A hivatkozott cikkben részletesen ismertetett mérési módszer segítségével meghatározott áramlási sebesség értelmezésére akkor nem tértünk ki. Ezért ezt a hiányt — az esetleges félreértések elkerülése végett is — pótolni kívánjuk. Jelen tanulmányban részletesen elemezzük a vízpára áramlásának megindulását, kialakulását egy részben körülhatárolt térben (két végén nyitott csőben), valamint megadjuk az áramlás sebességének helyes értelmezését. A feladatul kitűzött cél minden bizonnyal érdeklődésre tarthat számot, mivel tudomásunk szerint — témáját tekintve — ezek a laboratóriumi körülmények között végrehajtott vízpáraáramlással kapcsolatos megfigyelések egy ma még aránylag ritkán érintett kutatási területre vonatkoznak. A páraáramlás A páraáramlás tulajdonképpen a páramolekulák előrehaladása a térben. A közeg, amelyben az áramlás történik a Föld atmoszférája, vagyis a levegő, a benne áramló anyag (vízpára) pedig a vízpára molekulák, illetve vízpára molekulacsomók (3) halmaza. Ez az atmoszféránkban lejátszódó páraáramlás különböző fizikai tényezőktől függően lehet turbulens vagy lamináris (2), a hidraulikából ismert áramlásokhoz hasonlóan. Feladatunk a továbbiakban egy páraáramlás — éspedig egy konkrét kísérlet (1) alkalmával előidézett páraáramlás — módszeres vizsgálata. Áramlások vizsgálata általában az áramlás fajtájára, irányára, sebességére szokott kiterjedni. Az alábbiakban egy elegendő közelítéssel lamináris áramlásnak felfogható páraáramlás analizálását kívánjuk bemutatni. A függőleges csőben való páramozgás kiilső körülményei Mindenekelőtt különbséget kell tennünk abban a tekintetben, hogy milyen külső körülmények között vizsgáljuk a páramolekulák mozgását. Két alapeset különböztetendő meg, éspedig: c) páramolekulák mozgása szabad térben (külső atmoszférában, a szabadban); b) páramolekulák mozgása zárt térben (laboratóriumi körülmények között, terelőfelületek határán belül). A két alapeset lényegében véve abban tér el egymástól, hogy amíg az a) esetben a légtömeg önmagához képest is elmozoghat a benne levő páramolekulákkal (pl. a szél hatására), addig a b) esetben ezt a légtömegmozgást megfelelő terelőelemekkel (pl. terelőlemezzel, -csővel stb.) ki lehet küszöbölni. Ily módon az áramlási folyamat megfigyelése egyszerűbbé válik. A korábban végzett páraáramlási sebesség vizsgálatokat (1) a b) esetnek megfelelő körülmények között laboratóriumban, egy plexicsőben végeztük el. A vízpára áramlási sebesség értelmezésének könnyebb megértése céljából a következőkben részletesebben megvizsgáljuk a hivatkozott sebességmérési kísérletek lefolyását. Többek között figyelemmel kísérjük a plexicsőben a páraáramlás kialakulása folytán — kiindulva a nyugalmi helyzetből — a folyamatosan végbemenő páranyomás változásokat, éspedig több lépcsőben (több fázis analizálásával). A pára áramlási sebességének értelmezése tulajdonképpen a részvizsgálatok eredménye alapján lesz összegezhető. Mint ismeretes, vizsgálatainkat annak idején egy két végén nyitott plexicsőben végeztük (1. ábra). A cső belsejében levő páramolekulák tehát a külső légmozgásnak nem voltak kitéve. A kísérlet megkezdésekor a plexicső alul egy vékony zárólemezzel ideiglenesen el volt zárva. A plexicső belsejében — annak minden pontjában — a plexicsövön kívül uralkodó páranyomással egyenlő nagy páranyomás uralkodott, mivel a cső felső vége nyitott maradt. Ket vegen nyitott plexicso •2 c m __ . Parologtato edeny /./V//^//?/// 1. ábra. A kísérleti berendezés sematikus rajza Az áramlás jellemzéséhez, méréséhez szükség volt arra, hogy a plexicső belsejében páraáramlás alakuljon ki. E célból elhelyeztünk a plexicsövet alul ideiglenesen elzáró vékony zárólemez alá egy — a környező levegő hőmérsékleténél melegebb — vízzel telt edényt. A zárólemez és vízfelszín között kb. 2 cm távolság volt. Egy meghatározott időpontban eltávolítottuk a zárólemezt. Ekkor a plexicsőben megindult a vízzel telt párologtató edény vízfelszínről eltávozó páramolekulák felfelé áramlása, azaz kezdetét vette a vízpára molekuláris diffúziója. A páramolekulák áramlását kísérő páranyomás változást s a később definiálandó párahullám kialakulását a 2. ábrán szemléltetjük több lépésben. A páraáramlás kialakulásának egyes fázisai Vizsgáljuk meg részletesebben a páranyomás eloszlás egyes fázisait időrendi sorrendben. A zárólemez eltávolítása előtti állapot. Közvetlen a zárólemez eltávolítása előtt a plexicsőben a páranyomás minden pontban egyforma nagy, melynek értéke legyen p

0 (2/a. ábra). Ez a páranyomás érték megegyezik a külső légtér páranyomás értékével, mivel a plexicső a külső légtérrel a cső felső szabad (nyitott) végén érintkezik. Ezen a nyíláson keresztül tehát az esetleges páranyomás differencia a mérés előtt kiegyenlítődést nyerhet. A zárólemez és az edényben levő víz felszíne között egy vízpárával telített légtér helyezkedik el, melynek páranyomása a víz „t" °C hőmérsékletnek megfelelően legyen „pi". A 2. ábrán ennek az állapotnak megfelelő páranyomás diagramot tüntettünk fel a vizsgáló berendezés függőleges hosszmetszetében. A pá22