Laboratoř fázových přechodů

Oddělení:   Oddělení D 2 – Termodynamika
Vedoucí:   Ing. Jan Hrubý, CSc.

Laboratoř fázových přechodů se zabývá experimentálním a teoretickým výzkumem procesů změn skupenství, obecně fází, při kterých z původní fáze v termodynamicky metastabilním stavu začne vznikat a následně růst fáze nová. Jedná se například o vznik (nukleaci) a následný růst kapek v přesycené páře, bublin v přehřáté kapalině a krystalů tuhé fáze v podchlazené kapalině. Laboratoř se zabývá jak otázkami životního prostředí (tvorba aerosolu, vznik kapek a krystalků vody v atmosféře) tak průmyslovými aplikacemi (kondenzace páry v parních turbínách, kavitace v čerpadlech, vznik krystalků vody v palivových článcích). Laboratoř se rovněž věnuje studiu termofyzikálních vlastností látek potřebných pro výzkum fázových přeměn a to jak v termodynamicky rovnovážném tak zejména v metastabilním stavu.

Členové týmu Laboratoře fázových přechodů jsou mimo jiné členy národního komitétu CZNCPWS a mezinárodní asociace IAPWS, kde v rámci mezinárodního badatelského kolektivu zkoumají termofyzikální vlastnosti, fázové rovnováhy a fázové přechody vodných systémů (např. vlastnosti podchlazené kapalné vody až do –30 °C či vlastnosti hydrátů plynů).

Obr. 1 Obr. 2

Obr. 1 Větve stromu obalené souvislou vrstvou ledu vzniklou po dešti z podchlazené vody
Obr. 2 Průběh povrchového napětí podchlazené vody do – 25 °C. Nová data vyvracející anomálii pro podchlazenou kapalnou vodu (druhý inflexní bod) založenou na předchozích měřeních.

Hustota podchlazené vody

Aparatura pro měření hustoty umožňuje měření hustoty podchlazených metastabilních tekutin, např. podchlazené ultračisté vody, mořské vody či těžké vody (D2O), při konstantním tlaku. Systém umožňuje měření izotermické stlačitelnosti při tlacích do 200 MPa (1974 atmosfér) a teplotách do –40 °C. Hlavním cílem výzkumu je napomoci objasnit a popsat anomálie podchlazené vody při nízkých teplotách a vysokých tlacích.

a) b)

Obr. 1 Aparatura pro měření hustoty podchlazených kapalin při vysokých tlacích

a) Vysokotlaká cela v ochranné obálce (červený válec) spolu se systémem pro nastavení teploty
b) Systém pro regulaci tlaku dusíku až do 200 MPa

Měření hustoty podchlazené vody je založeno na srovnávacím měření ve dvou křemenných kapilárách ve vertikální poloze s vnitřním průměrem kolem 0,3 mm. Kapiláry prochází vysokotlakou celou z nerezu osazenou safírovými sklíčky, která umožňují pozorovat výšku vodních sloupců uvnitř kapilár pomocí objektivu a digitální kamery. Vysokotlaká cela je držena při konstantní teplotě blízké teplotě okolí.

voda-rtuť
Obr. 2 Obraz kapilár uvnitř vysokotlaké cely osazené safírovými sklíčky pořízený digitální kamerou (obraz je otočen o 90°)

Křemenné kapiláry jsou umístěny v ochranném plášti zaplaveném teplosměnnou (iontovou) kapalinou s nízkým bodem tuhnutí. Tlak v celém systému je vyvolán dusíkem stlačovaným pomocí vysokotlakého kompresoru. Vodní sloupce v křemenných kapilárách jsou shora uzavřeny několikamilimetrovou vrstvou rtuti zabraňující rozpouštění dusíku ve vodě a případnému následnému vzniku bublin při jeho uvolnění při náhlém poklesu tlaku.

The high-pressure optical cell
Obr. 3 Vysokotlaká optická cela spolu s ochranným pláštěm (červený válec dole) v otevřené poloze

Spodní část obou kapilár prochází tepelným výměníkem, ve kterém dochází ke změně hustoty kapaliny vlivem změny teploty. Tepelný výměník lze střídavě připojit ke dvěma termostatickým cirkulačním lázním s technickým lihem. První lázeň pracuje při měřené teplotě, např. –15 °C, druhá pak při referenční teplotě blízké teplotě okolí. Tepelný výměník má nízkou tepelnou kapacitu, což společně s použitím dvou nezávislých termostatických lázní umožňuje rychlou stabilizaci teploty s přesností ± 0.02 °C v řádu několika minut. Použití dvou kapilár, jedné dlouhé a jedné krátké, umožňuje eliminovat vliv oblasti teplotního přechodu v tepelném výměníku na základě porovnání výšek sloupců kapaliny v obou kapilárách.

Povrchové napětí podchlazené vody

Aparatura pro měření povrchového napětí je navržena tak, aby umožnila měření povrchového napětí kapalin, převážně pak vodných roztoků, jak v termodynamicky rovnovážném stavu do teplot cca + 50 °C tak v metastabilním podchlazeném stavu do teplot –30 °C. Hlavním cílem měření je získání nových dat pro podchlazenou vodu, která napomohou objasnit anomálie podchlazené vody, např. existenci druhého inflexního bodu v průběhu povrchového napětí vody zaznamenanou předchozími experimenty a některými teoretickými modely s využitím molekulárních simulací. Povrchové napětí podchlazené vody hraje významnou roli při zkoumání procesů vzniku kapek a vodních krystalků v horních vrstvách atmosféry a dále při některých inženýrských aplikacích, např. namrzání letadel při průletu mraků z podchlazené vody, či namrzání lopatek větrných elektráren.

Fused silica capillary tube
Obr. 4 Křemenná kapilára o vnitřním průměru 0,3 mm uvnitř skleněné cely s teplosměnnou kapalinou

Povrchové napětí podchlazených kapalin je měřeno uvnitř křemenných kapilár malých průměrů (okolo 0,3 mm). Aparatura umožňuje měření s využitím dvou odlišných metod. Hlavní měření je založeno na metodě kapilární elevace, kdy v kapiláře ve vertikální poloze vystoupá kapalina do výšky (řádově několik cm) dané povrchovým napětím a hustotou kapaliny, resp. hydrostatickým tlakem kapalinového sloupce. Povrchové napětí lze určit na základě výšky sloupce, vnitřního průměru kapiláry a hustoty kapaliny. Na aparatuře pro měření podchlazených kapalin je skokově měněna teplota pouze v horní části kapalinového sloupce, a to po krátkou dobu tak, aby nedošlo ke zmrznutí vzorku. S klesající teplotou povrchové napětí roste, v důsledku čehož kapalina vystoupá do větší výšky. Teplotní závislost povrchového napětí lze následně určit ze změřené změny výšky kapalinového sloupce odpovídající dané změně teploty.

Principle of the capillary rise method
Obr. 5 Princip měření povrchového napětí pomocí metody kapilární elevace

Hlavní části aparatury pro měření kapilární elevací
Obr. 6 Hlavní části aparatury pro měření kapilární elevací

Druhou metodou měření povrchového napětí podchlazené vody je měření uvnitř kapiláry v horizontální poloze. Vzorek kapaliny o délce zhruba 2 až 3 cm je nasát do kapiláry s jedním přesně zabroušeným rovinným koncem. Zabroušený konec kapiláry je ponechán volně otevřený do okolí a pozorován přesnou optikou. Druhý konec kapiláry je připojen k systému s inertním plynem umožňujícímu nastavení nízkého protitlaku v řádu několika stovek pascalů. Se zvyšujícím se protitlakem plynu se tvar menisku kapaliny na volném konci kapiláry postupně mění z konkávního (uvnitř kapiláry) na rovinný a následně konvexní (meniskus vně kapiláry). V případě rovinného menisku je protitlak plynu kompenzován pouze povrchovými silami na druhém menisku uvnitř kapiláry. Povrchové napětí na vnitřním menisku lze tedy určit ze známého vnitřního průměru kapiláry a měřeného protitlaku inertního plynu.

Horizontální kapilára
Obr. 7 Horizontální kapilára umístěná uvnitř skleněné cely s teplosměnnou kapalinou

Nukleace kapek v CCS systémech

V současné době je vyvíjen nový experiment pro výzkum nukleace kapek v CCS (carbon capture and storage, tj. zachytávání a uskladňování CO2) systémech. Hlavním cílem tohoto výzkumu je získání nových dat pro podmínky nukleace kapek ve směsích důležitých zejména při návrhu nových CCS technologií, tj. ve směsích bohatých na oxid uhličitý a dále pak dusík, vodu, metan, vodík a argon. Nukleace kapek, tj. počátek fázové přeměny mezi přehřátou párou a kapalinou, je zkoumán pomocí skokové redukce tlaku v expanzní komoře z nerezu o vnitřním objemu zhruba 200 cm3. Expanzní komora je osazena sadou optických skel umožňujících detekci podmínek nukleace s využitím přesné optiky (interferometru). Experiment umožní studovat nukleaci kapek při tlacích od 2 do 140 barů a teplotách od –20 °C do +150 °C.

Další informace o tomto výzkumu jsou uvedeny na stránkách mezinárodního projektu CCSphase.

3D design of the expansion chamber
Obr. 8 3D návrh expanzní komory

V laboratoři jsou v současné době vyvíjeny tři hlavní experimentální aparatury:

  • Aparatura pro měření hustoty pochlazené vody při teplotách do –40 °C a tlacích do 200 MPa
  • Aparatura pro měření povrchového napětí podchlazené vody do –30 °C
  • Expanzní komora pro studium nukleace kapek zejména v CCS systémech

Další důležité vybavení laboratoře

Spolupracující pracoviště: