Studenci - aktualności
Rura wewnętrznie żebrowana, Fot. AGH
Choć przypominają gwintowaną lufę, nie służą do strzelania. Rury z wewnętrznym spiralnie skręconym ożebrowaniem doskonale oddają ciepło do otoczenia, ale ich produkcja jest energochłonna i droga. Naukowiec z AGH ma pomysł na to, jak obniżyć koszt produkcji takich układów, a przede wszystkim poprawić ich parametry w zakresie przewodzenia ciepła. Czy doświadczenia z wytwarzania wymienników ciepła mogą pomóc w chłodzeniu luf w broni palnej?
Wiele procesów w przemyśle petrochemicznym, chemicznym czy energetycznym generuje wysokie temperatury. Przegrzanie urządzeń może doprowadzić do ich uszkodzenia, w związku z czym do bezawaryjnego działania wymagają efektywnego odbioru ciepła. Jego przepływ następuje zawsze w kierunku od wyższej temperatury do niższej, co wykorzystują systemy chłodzenia. Przykładem może być transformator elektryczny, który pracuje zanurzony w kadzi z olejem. Ciepło generowane przez transformator jest przejmowane przez olej, a następnie na drodze konwekcji i przewodzenia oddawane do otoczenia. W bardziej zaawansowanych systemach obieg oleju jest wymuszony przez pompę w taki sposób, aby przepływał przez wymiennik ciepła. Urządzenie ma najczęściej formę wiązki równolegle ułożonych rur pokrytych cylindrycznym płaszczem. Wymiana ciepła następuje tutaj poprzez ścianki rur z innym płynem bądź gazem opływającym je wewnątrz płaszcza.
Metody intensyfikacji wymiany ciepła
– Wymiana ciepła jest tym intensywniejsza, im większa jest różnica temperatur między jednym ośrodkiem a drugim. Oprócz przewodzenia ciepła przez ściankę rury, w całym układzie można wyróżnić dwa krytyczne stany, czyli przekazanie ciepła od płynu wewnątrz rury do jej ścianki wewnętrznej i od jej ścianki zewnętrznej do otoczenia. Można powiedzieć, że proces wymiany ciepła jest tak efektywny, jak pozwala mu na to jego najsłabsze ogniwo – mówi dr inż. Remigiusz Błoniarz z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej.
Badacz dodaje, że istnieje kilka sposobów intensyfikowania procesu wymiany ciepła. Można m.in. wpływać na różnicę temperatury między medium chłodzonym wewnątrz rury i jej otoczeniem, wyzwalając energię cieplną poprzez sprężenie tego pierwszego oraz zwiększając prędkość przepływu gazu bądź cieczy na zewnątrz. Inne metody to pokrycie zewnętrznych ścianek rury warstwą materiału wysokoprzewodzącego oraz zwiększenie powierzchni wymiany ciepła poprzez zewnętrzne i wewnętrzne ożebrowanie rury. To ostatnie wprawia również medium chłodzone w ruch wirowy, dzięki czemu następuje zwiększenie powierzchni kontaktu cieczy ze ścianką rury w wyniku wypychania pęcherzyków pary do wewnątrz na skutek działania siły odśrodkowej. Wcześniejsze badania wykazały, że dobór odpowiedniego kąta skręcenia żeber może wielokrotnie zwiększyć ilość wymienianego ciepła.
Innowacyjne układy projektowane na AGH
Dr inż. Błoniarz kontynuuje prace, których celem jest optymalizacja metod produkcji rur wewnętrznie żebrowanych, a przede wszystkim polepszenie ich parametrów w zakresie przewodnictwa cieplnego z wykorzystaniem dotychczas niestosowanych rozwiązań materiałowych. Jak wyjaśnia naukowiec z AGH, rury tego typu produkuje się na skalę przemysłową metodą wyciskania, która jest energochłonna i kosztowna. Wadą tego rozwiązania jest również konieczność stosowania do produkcji materiału, który posiada dobre właściwości plastyczne, co nie idzie w parze z jego wytrzymałością, np. aluminium.
Dr inż. Remigiusz Błoniarz, Fot. AGH
Badacz skupia się m.in. na tym, aby rury wewnętrznie żebrowane produkować alternatywnym, tańszym sposobem: – Jeszcze podczas pracy nad doktoratem pomyślałem: dlaczego by nie robić tego metodą ciągnienia – relacjonuje dr inż. Błoniarz. – W trakcie tego procesu następuje wydłużenie rury przy jednoczesnym zmniejszeniu jej średnicy. Kiedy podczas ciągnienia umieści się wewnątrz rury element, który będzie miał nacięte ukośnie rowki, będzie się w środku obracał. Okazało się, że jeżeli dobrze zaplanujemy i poprowadzimy cały proces, możliwe jest wytworzenie spiralnie skręconych żeber tą metodą.
Naukowiec z AGH podkreśla, że jest to jedynie wstęp do osiągnięcia zaplanowanych nowatorskich efektów końcowych. Wśród zalet produkcji rur wewnętrznie żebrowanych sposobem ciągnienia wymienia też możliwość użycia bardziej złożonych układów materiałowych, co umożliwi ich pracę przy wyższych ciśnieniach i gradientach temperatur. Dr inż. Błoniarz zamierza przetestować w tym celu nie tylko tradycyjne materiały, np. różne gatunki stali, ale również ich kombinacje z innymi tworzywami, dobierając je pod względem wytrzymałości i dobrego przewodnictwa cieplnego.
Badacz przewiduje również modyfikacje, które zintensyfikują wymianę ciepła pomiędzy zewnętrzną ścianką rury i jej otoczeniem. – Zamierzam nanieść na materiał rury warstwę miedzi, którą cechuje bardzo dobre przewodnictwo cieplne, i uformować z niej ożebrowanie. Odpowiedni dobór kształtu żeber oraz specjalna technologia ich formowania pozwolą na uzyskanie przepływu strumienia ciepła w kierunku prostopadłym do osi rury, dzięki czemu będzie ono szybciej odprowadzane – deklaruje dr inż. Błoniarz.
Zastosowania specjalne
Łatwo dostrzec podobieństwo, które łączy rury stosowane w wymiennikach ciepła z lufami gwintowanymi. W obu przypadkach mamy do czynienia z wewnętrznym układem spiralnie skręconych pól i bruzd – w przypadku broni palnej mają one na celu nadanie pociskowi ruchu obrotowego, co m.in. stabilizuje jego lot i przekłada się na celność strzału. Czy wobec tego układ wymiany ciepła, nad którym pracuje naukowiec z AGH, mógłby znaleźć również zastosowanie w przypadku broni palnej? Przegrzewanie się luf pod wpływem wysokiej temperatury spalania gazów prochowych to istotne ograniczenie z punktu widzenia ich użycia na polu walki.
Dr inż. Błoniarz tłumaczy, że producenci uzbrojenia przeważnie skupiają się na tym, aby lufa w trakcie strzelania nagrzewała się wolniej. – Ale możliwe jest też odwrotne podejście, czyli sprawienie, aby ta sama ilość ciepła szybciej została odprowadzona poza lufę– sugeruje pracownik AGH. – Poprzez zwiększenie przewodzenia ciepła w kierunku zewnętrznym cała objętość lufy szybciej się rozgrzeje, ale jej przewód wewnętrzny będzie miał dzięki temu niższą temperaturę, ponieważ taka sama ilość ciepła zostanie zakumulowana w materiale bardziej równomiernie. Jednocześnie im bardziej rozgrzeje się zewnętrzna powierzchnia lufy, tym szybciej ciepło będzie oddawane do otoczenia. Trzeba jednak wówczas zadbać o to, aby ilość dopływającego ciepła nie przewyższała tego odprowadzanego na zewnątrz, bo wówczas może dojść do osłabienia lufy i jej zniszczenia. Tutaj pojawia się podstawowe pytanie: jak to zrobić? Na nie właśnie ma odpowiedzieć realizowany projekt badawczy.
Projekt „Innowacyjna metoda wytwarzania układu intensyfikującego wymianę ciepła” został dofinansowany w ramach XIII edycji programu LIDER realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Znikające lodowce - AGH NAUKA spotkania (nr 29) 
Projekty BG AGH z finansowaniem z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” 
