Science.tatsel.tu - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
События и
мероприятия
Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипение• Исследование процессов переноса при пленочном кипении• Форма межфазной поверхности при пленочном кипении воды на полусфере• Классификация процессов тепломассопереноса• Сопоставление процессов переноса при пленочном кипении• Прогиб межфазной поверхности при пленочном кипении на обращенной вниз торцевой поверхности цилиндра• Определение толщины паровой пленки в задаче о пленочном кипении недогретой жидкости• Эволюция паровых образований на поверхности полусферического нагревателя• Сопоставление процессов тепломассопереноса при пленочном кипении различных жидкостей• Влияние процессов тепломассопереноса на толщину паровой пленки при пленочном кипении недогретой воды• Vapor-liquid interface form determination at the subcooled liquid film boiling• Влияние давления на пленочное кипение недогретой воды• Переходное и пленочное кипение недогретой воды на сферических поверхностяхСверхтекучий гелийСобытия и мероприятияБиблиотека БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус

Эволюция паровых образований на поверхности полусферического нагревателя при пленочном кипении с недогревом*

Пузина Ю.Ю.

Московский энергетический институт (технический университет)

В ряде прикладных задач современной теплотехники встречаются ситуации, когда сильно нагретое тело взаимодействует с холодной жидкостью. При этом теплота от нагревателя может подводиться к межфазной поверхности со стороны жидкости или со стороны пара. В случае, когда теплота подводится от нагревателя к жидкости, она перегревается относительно температуры насыщения и испаряется, весь тепловой поток от нагревателя затрачивается на испарение. В случае, когда жидкость отделена от нагревателя паровой пленкой, пар является перегретым относительно температуры жидкости, и создаются условия для конденсации.

Постановка задачи

В экспериментальных исследованиях локальных процессов при смене режимов кипения [1-3] показано, что при сходе паровой пленки (рис. 1) импульс давления в жидкости может достигать значения амплитуды ~1 МПа. (рис. 2). Хорошо известно, что в процессах тепломассопереноса резкое существенное кратковременное повышение давления в жидкости может быть обусловлено схлопыванием паровой пленки или пузыря, т.е. спецификой эволюции во времени этих паровых образований.

Сход паровой пленки

Рис. 1. Сход паровой пленки:
dw = 0.01м; Tw=500-250°C; Tb=40°C

Характерный вид осциллограмм

Рис. 2. Характерный вид осциллограмм (температура поверхности 270°C).

На первом этапе интерпретации опытных данных в качестве модельной задачи анализируется процесс роста-схлопывания паровой пленки на поверхности шара, полупогруженного в теплопроводную жидкость (рис. 3).

Постановка задачи

Рис.3. Постановка задачи

В первом приближении рассматривается сферически симметричная задача, что позволяет не рассматривать изменение кривизны межфазной поверхности по сечению паровой пленки. Кроме того, используется допущение об изотермичности границы раздела фаз пар – жидкость. Для описания динамики межфазной поверхности используется следующая модель: сферический нагреватель радиусом Rw погружен в жидкость на глубину h (рис. 4). Начальная температура жидкости Tb при атмосферном давлении Pb. При подаче тепловой нагрузки нагревателя qw жидкость нагревается до температуры насыщения при внешнем давлении, после чего начинается рост паровой пленки.

Физическая модель

Рис. 4. Физическая модель

Анализ сопряженных задач с движением межфазной поверхности может способствовать изучению механизмов инициирования спонтанного парового взрыва и фрагментации жидкометаллического теплоносителя.

Математическое описание

При математическом моделировании весь процесс разбивается на стадии:

а) Задача теплопроводности в жидкости. В начальный момент времени температура жидкости по всему объему постоянна и равна Tb. При включении тепловой нагрузки жидкость нагревается вплоть до температуры начала кипения, соответствующей по линии насыщения внешнему (атмосферному) давлению. При этом в ходе всего этого отрезка времени считается, что образование и соответственно рост пленки не происходят. Уравнение теплопроводности:

(1)

Уравнение теплопроводности

Начальное условие: при t=0:  T'(0,r)=Tb

Граничные условия:
при r=Rw:       –λ'(∂T1'(t,R1)/∂r)=qw
при r=Rb:       T'(t,Rb)=Tb

б) Рост паровой пленки в теплопроводной жидкости. По достижении жидкостью температуры начала кипения на поверхности нагревателя образуется паровая пленка, которая начинает увеличиваться в размерах при постоянной нагрузке нагревателя. Уравнение, описывающее движение межфазной поверхности:

(2)

Уравнение, описывающее движение межфазной
поверхности

Начальные условия: t=0, R1=0, =0.

Универсальное условие совместности по потоку импульса на межфазной поверхности определяет связь между давлением пара и жидкости:

(3)

Универсальное условие совместности

С другой стороны давление в паровой пленке связывается с тепловым потоком на межфазной поверхности и температурой жидкости неравновесным граничным условием [4]:

(4)

Граничное условие

По мере увеличения размеров пленки тепловой поток на межфазной поверхности уменьшается вследствие сферической геометрии задачи. Теплота в жидкости в первом приближении распространяется теплопроводностью. При этом граничные условия для соответствующего уравнения:
при r=R1:  –λ'(∂T1'(t,R1)/∂r)=q1
приr=Rb: T'(t,Rb)=Tb

Результаты расчетов

Анализ результатов решения проводится для нижней точки межфазной поверхности, как наиболее соответствующей используемой модели. На начальной стадии роста паровой пленки (рис. 5) давление пара увеличивается, что обусловлено продолжающимся повышением температуры жидкости. В дальнейшем увеличение размера пленки приводит к уменьшению теплового потока на межфазной поверхности, и, как следствие, к уменьшению давления пара.

Зависимость радиуса паровой пленки и разности давлений по жидкости от времени

Рис. 5. Зависимость радиуса паровой пленки и разности давлений по жидкости от времени.
1 – qw= 105Вт/м2; 2 – qw= 1.2·105Вт/м2.

Распределение давления в окрестности паровой пленки

Рис. 6. Распределение давления в окрестности паровой пленки на разных стадиях процесса (qw=105Вт/м2). Кривые (сверху – вниз) соответствуют моментам времени: 1.8, 0.8, 3.8, 4.4, 4.8, 5.8, 7.8 мс.

Соответствующее уменьшение разности давлений по жидкости приводит к замедлению движения границы раздела фаз. Первоначальное ускорение приводит к расширению паровой пленки до такой степени, что разность давлений по жидкости становится отрицательной, то есть давление вблизи границы раздела фаз меньше, чем на удалении, причем эта тенденция сохраняется еще некоторое время после начала схлопывания паровой пленки, что связано с изменением температуры межфазной поверхности. В течение всего процесса эволюции паровой пленки поле давлений в жидкости остается монотонным (рис. 6). При этом на заключительной стадии процесса давление пара незначительно возрастает (рис. 5), однако скорость движения межфазной поверхности такова, что паровая пленка схлопывается, т.к. жидкость не успевает замедлиться. Сравнение результатов расчета для двух величин тепловых потоков (рис. 5) проводится при выборе точки отсчета времени с момента начала эволюционирования и показывает, что все процессы для большей величины нагрузки нагревателя происходят быстрее и с большей амплитудой.

Сравнение с опытными данными

На основании приведенной модели проводится интерпретация экспериментальных данных по взрывному вскипанию воды на тонких платиновых проволоках [5]. Для соответствия исходных условий расчета и опытов (рис. 7) проведена адаптация математической модели под цилиндрическую геометрию.

Фотографии экспериментов

Рис. 7. Фотографии экспериментов Rw= 5мкм, W=24В, Pb=1,0 × 105 Па.

Результаты расчета взрывного кипения воды

Рис.8. Результаты расчета взрывного кипения воды: точки – эксперимент, линия – расчет.

Сравнение экспериментальных точек с кривой, полученной в результате расчета, показывает качественное и количественное согласование, что свидетельствует о пригодности предложенной модели для расчета динамики паровой пленки на поверхности нагревателя (рис. 8).

Заключение

Расчеты показывают, что колебательных режимов для теплопроводной жидкости не наблюдается вследствие нагрева жидкости вблизи межфазной поверхности и достаточно быстрого уменьшения размеров пленки на второй стадии эволюции. Давление пара не остается постоянным, а максимальное давление жидкости существенно меньше значений, зарегистрированных в эксперименте.

Перспективы развития этой модели связаны с двумя факторами: а) отказ от допущения о сферической геометрии паровой пленки и учет реального изменения кривизны межфазной поверхности по сечению; б) исследование влияния соответствующего изменения температуры жидкости вдоль границы раздела фаз на характер процессов тепломассопереноса.

При сходе паровой пленки происходит касание жидкостью сильно нагретого тела, в результате чего вблизи межфазной поверхности образуются паровые пузыри, которые схлопываются под воздействием внешней разности давлений. Для получения лучшего соответствия теоретических и опытных данных в дальнейшем предлагается исследовать подобную расчетную модель.

Список литературы

1. Исследование особенностей развития и схода паровой пленки на полусферических поверхностях. / Григорьев В.С. и др. // Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. – ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ. Минск, 2004. Сборник трудов на компакт-диске. – 5-17. >>

2. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду. / Григорьев В.С. и др. // ТВТ. 2005. Т.43. №1. С.100–114.>>

3. Pressure pulsations during the growth and collapse of vapor cavities in a subcooled liquid / Yu.P. Ivochkin at all. // Proceedings of th 5th European Thermal-Sciences Conference – Eindhoven, the Netherlands, 22–28 May, 2008. – CD-ROM publications. TPF_16.>>

4. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // ТВТ. 1969. Т. 7. №5. С. 959-967.>>

5. Glod S., Poulikakos D., Zhao Z., Yadigaroglu G. An investigation of microscale vaporization of water on an ultrathin Pt wire. // Int. J. of Heat and Mass Transfer.– 2002. – №45 – P. 367–379.>>

Благодарности

Эта страница оформлена при поддержке Федерального агенства по науке и инновациям (грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых МК-1672.2008.8).

Автор благодарит профессора Крюкова А.П. за консультации (проект №08-08-00638).


* Эволюция паровых образований на поверхности полусферического нагревателя при пленочном кипении с недогревом // «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». VI школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН Алемасова В.Е., 16-18 сентября 2008. – Казань: Изд-во Казанск. гос. ун-та, 2008. – С. 267–270.


Следующая страница: Сопоставление процессов тепломассопереноса при пленочном кипении различных жидкостей


    • Главная   • Пленочное кипение   • Эволюция паровых образований на поверхности полусферического нагревателя  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий События и мероприятия
Библиотека Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Science.Tatsel.ru 2006-2017.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
обратная связь
карта сайта