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

Расчетно-экспериментальное исследование процессов переноса при пленочном кипении с учетом неравновесных эффектов вблизи межфазной поверхности*

Ивочкин Ю.П.¹, Королев П.В.², Кубриков К.Г.¹, Пузина Ю.Ю.²

Институт Высоких Температур Российской Академии Наук (1)
Московский энергетический институт (технический университет) (2)

Цель настоящей работы – выявление области существенного влияния неравновесных эффектов вблизи межфазной поверхности на процессы тепломассопереноса при пленочном кипении жидкости. Планируется проведение экспериментальных исследований пленочного кипения на обращенной вниз плоской поверхности, а также соответствующее расчетно-аналитическое моделирование поведения паровой пленки на основании методов механики сплошных сред с учетом известных результатов молекулярно-кинетического анализа.

Постановка задачи

Рассматривается цилиндрический нагреватель радиуса Rw, погруженный в воду на глубину hw торцевым концом с плоской поверхностью (рис. 1). Температура нагревателя Tw такова, что на его поверхности образуется паровая пленка толщиной δ0 в нижней точке межфазной поверхности. Над свободной поверхностью жидкости поддерживается постоянное давление Pb. Рассматривается цилиндрическая система координат r – z.

Процессы переноса при пленочном кипении - Схема рабочего участка
Рис. 1. Схема рабочего участка

Экспериментальная установка

С целью решения поставленной задачи была проведена модернизация экспериментальной установки, которая предназначена для исследования различных видов кипения на обращенных вниз поверхностях.

Процессы переноса при пленочном кипении - Чертеж рабочего участка
Рис.2. Чертеж рабочего участка.
1 – нагреваемый элемент; 2 – спиральный нагреватель; 3 – теплоизолятор;
4 – отверстия для термопар; 5 – трубка из нержавеющей стали.

В рамках модернизации был разработан, изготовлен и испытан в действии новый опытный участок, чертеж опытного участка и фотография которого показаны на рис.2. и рис.3. Нагреваемый элемент опытного участка выполнен в форме цилиндра диаметром 10 мм с торцевым плоским окончанием. На изготовленном из латуни цилиндре размещен спиральный нагреватель – капилляр, изготовленный из нержавеющей стали, внутри которого проложен нагревательный элемент. В качестве материала нагревательного элемента использовалась стальная проволока, покрытая высокотемпературным электроизолятором. Для внешней теплоизоляции нагревателя использовался высокотемпературный цемент (марка ВГКЦ-75-0.5), выполненный по особой технологии. Температуры латунного цилиндра на различных его участках, а также значение теплового потока определялись по показаниям хромель—алюмелевых и хромель–копелевых термопар. Применение последних увеличило чувствительность термоизмерительной системы. Ближайшая термопара была расположена на расстоянии 0.5 мм от торцевой плоской поверхности нагревателя. В центре цилиндра вдоль всей его длины (120 мм) расположено сквозное отверстие диаметром 2 мм, предназначенное для отбора давления с плоской торцевой поверхности при пленочном кипении.

Усовершенствованная конструкция позволила увеличить надежность работы опытного участка в условиях повышенной влажности и связанной с этим опасностью электрического замыкания спирали на нагретый цилиндрический сердечник нагревателя.

Процессы переноса при пленочном кипении - Опытный участок

Рис.3. Фотография нового опытного участка

С целью проведения комплексных исследований на базе измерительной аппаратуры фирмы National Instruments был разработан диагностический комплекс, позволяющий с помощью цифровых видеокамер отслеживать динамику развития паровой пленки с одновременным измерением: тепловых характеристик системы, стационарного и нестационарного давления (как внутри паровой пленки, так и в холодной жидкости), звука и параметров паровой пленки.

В целях усовершенствования термометрической системы измерений дополнительно приобретен комплект оборудования фирмы National Instruments, предназначенный для обработки аналогового сигнала, перед его непосредственной передачей на компьютер. Оборудование, помимо различных разъемов и кабелей, включает в себя непосредственно плату усилителя сигнала (тип SCXI – 1100) и корпус (SCXI – 1000) с четырьмя слотами и единым источником питания. Усилитель имеет следующие метрологические характеристики: число каналов: 32, частотные фильтры: 0 – 4Гц; 0 – 10 кГц, коэффициенты усиления: 1, ….2000, диапазоны измерения входного сигнала: минимальный ±мВ 5, максимальный ±10 В; уровень шума: 1.5 мкВ.

Применение закупленного оборудования позволяет, в частности, проводить более надежные нестационарные измерения температуры вблизи ее комнатных значений, где, ввиду малости значений электрического сигнала, отношение сигнал/шум имеет большое значение.

В качестве измерителей температуры использовались предварительно откалиброванные хромель–алюмелевые и хромель-копелевые термопары, соединенные по трехпроводной схеме. Применение этой измерительной схемы позволило существенным образом (почти в два раза) уменьшить значения «паразитного» наведенного сигнала.

Медленно изменяющиеся давление в паровой пленки измерялось с помощью наклонного манометра (тип ЛПИ), причем для определения перемещения спиртового мениска в стеклянной трубке использовался катетометр. Для изучения давления при быстро протекающих процессах (например, при взрывном сходе паровой пленки) используются прецизионные датчики фирмы Kistler и оригинальные волоконно-оптические преобразователи собственного изготовления.

С целью более детального изучения динамики развития паровой пленки были изготовлены специальные приспособления, позволяющие проводить видеосъемку процесса с помощью цифровой видеокамеры (тип Cannon 500) под оптическим микроскопом (тип МБС-9).

В среде Labview разработаны пакеты программ, позволяющие оптимизировать процессы измерения, записи и обработки данных текущих значений сигналов с датчиков температуры и давления.

Полученные за отчетный период времени экспериментальные результаты носят, главным образом, промежуточный, наладочный характер. Проведенные пуско-наладочные эксперименты, в целом, подтвердили работоспособность модифицированной экспериментальной установки и разработанных систем измерения и выявили ряд недостатков.

Методы и подходы

Полное математическое описание представленной двухфазной системы включает в себя:
а) систему уравнений сохранения для полубесконечного массива несжимаемой жидкости;
б) систему уравнений сохранения для пара, движущегося в канале между проницаемой поверхностью пар – жидкость и непроницаемой поверхностью нагревателя с учетом теплообмена излучением; в) уравнение теплопроводности для нагревателя; г) соответствующие граничные условия.

Допущения физической модели:
Процессы тепломассопереноса в двухфазной системе квазистационарные, т.е. скорость понижения температуры цилиндра заметно меньше скорости установления стационарного состояния системы, соответствующего данному перепаду ΔТ между температурами нагревателя и жидкости. Коэффициент конденсации на межфазной поверхности равен единице. Температура межфазной поверхности T ' постоянна по сечению, при этом давление насыщения, соответствующее температуре жидкости Ps (T ' ) равно давлению над свободной поверхностью жидкости Pb. Теплота в паре распространяется теплопроводностью, лучистая составляющая теплового потока мала. Физические свойства жидкости и пара постоянны. Скачки температуры на межфазных поверхностях пар – жидкость и пар – твердое тело малы по сравнению с общей разностью температур, и ими можно пренебречь. Возможные колебания паровой пленки не рассматриваются.

Высокоинтенсивные процессы в системах с проницаемой для потока массы границей раздела фаз необходимо анализировать с использованием методов молекулярно-кинетической теории, которые позволяют найти взаимосвязь параметров пара с температурой межфазной поверхности и соответствующим давлением по линии насыщения, предоставляя тем самым возможность определить потоки массы и тепла на этой поверхности.

Отличием данной задачи от классической задачи гидростатического равновесия, связанной с нахождением формы межфазной поверхности, является определяющее влияние теплового потока на формирование границы раздела фаз.

Геометрически задача разделяется на три участка – плоский торец, цилиндрическая боковая поверхность и переходная область. Межфазная поверхность повторяет форму нагревателя под плоской частью, следовательно, кривизна границы раздела фаз пар – жидкость в начале координат равна нулю. Из этого можно сделать ряд выводов:
– Давление пара по сечению пленки постоянно. Если давление пара не постоянно, то толщина паровой пленки должна быть переменна.
– Влияние гидростатического напора и кривизны направлено «в одну сторону» – уменьшение толщины приводит к уменьшению гидростатического напора и к уменьшению кривизны межфазной поверхности (была кривизна нулевая, межфазная поверхность стала выпуклой, кривизна стала отрицательной).
– Температура межфазной поверхности постоянна во всей плоской области. Условия теплопередачи через паровую пленку одинаковы по сечению.
Если температура межфазной поверхности не постоянна, то давление насыщения должно быть переменно, что приводит к переменности давления пара.

Таким образом, на межфазной поверхности отсутствует поток массы. Толщина паровой пленки в лобовой точке зависит от располагаемой разности между температурами нагревателя и жидкости, а, кроме того, увеличивается при погружении нагревателя (рис. 4). Если с границы раздела фаз происходит испарение, то масса пара накапливается в пленке и толщина ее увеличивается, что приводит к изменению кривизны.

Процессы переноса при пленочном кипении - Зависимость толщины паровой пленки

Рис. 4. Зависимость толщины паровой пленки в лобовой точке от глубины погружения
нагревателя при отсутствии испарения с межфазной поверхности.

При переходе от плоской поверхности под нагревателем к цилиндрической области происходит изменение доли теплового потока на испарение. Толщина паровой пленки увеличивается, как и кривизна поверхности, а тепловой поток на межфазной поверхности уменьшается. Это приводит к появлению дополнительного фактора влияния, который должен уравновешивать противоположную направленность изменения величин, определяющих поведение рассматриваемой двухфазной системы. Доля теплового потока на испарение определяется гидравлическим сопротивлением канала, образованного непроницаемой стенкой нагревателя с одной стороны, и проницаемой границей раздела фаз пар – жидкость, с другой стороны. В то же время часть теплового потока на испарение зависит от условий теплообмена в жидкости. Таким образом, характер изменения этой величины может оказаться значительно сложнее, чем в случае шарового нагревателя.

Полученные ранее результаты

В рамках проблематики была решена задача об определении формы стационарной осесимметричной межфазной поверхности, образовавшейся при погружении шарового нагревателя в жидкость, разработана методика расчета, описание процессов переноса на границе раздела фаз пар – жидкость в которой основано на преобразовании системы уравнений, включающей универсальное условие совместности по потоку импульса и неравновесное граничное условие [1].

Кривизна осесимметричной межфазной поверхности определяется нелинейным дифференциальным оператором второго порядка [2].

При решении применяется неравновесное граничное условие на поверхности раздела фаз пар – жидкость, полученное в результате решения кинетического уравнения Больцмана моментным методом в стационарной постановке [3].

Решение соответствующей нестационарной задачи [4] показало правомерность использования стационарного соотношения для анализа тепломассопереноса в паровых пленках на поверхностях сильно нагретых тел.

В результате численного решения созданной математической модели получены зависимости прогиба межфазной поверхности от расстояния до оси нагревателя для капли воды диаметром 3 мм комнатной температуры, плавающей в жидком азоте при атмосферном давлении [5], а также для полусферического нагревателя диаметром 1 см при тепловой нагрузке qw~10Вт/см², погруженного в воду [6].

Показано, что кривизна проницаемой для потока массы стенки паровой пленки зависит от теплового потока [7]. Вид осесимметричной границы раздела фаз при погружении полусферического нагревателя в воду определяется сильно неравновесными условиями в отличие от задач гидростатического равновесия, где источника теплоты нет. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными [8], показывает удовлетворительное согласование зависимости толщины паровой пленки от радиуса в рассматриваемом диапазоне параметров. При приближении к свободной поверхности жидкости гидростатический напор, кривизна и тепловой поток уменьшаются, а толщина паровой пленки увеличивается. Использование в математическом описании неравновесных граничных условий позволяет решать сопряженные задачи с учетом особенностей процессов переноса на межфазных поверхностях пар – жидкость.

Выполнено экспериментальное исследование кипения недогретой воды на сильно перегретых поверхностях [9]. Процесс смены режимов кипения наблюдался визуально и с помощью видеокамер; измерялись температурные характеристики процесса, толщины паровой пленки, всплески давления и звуковые эффекты.

Установлено определяющее влияние материала и состояния поверхности на характер и параметры схода паровой пленки, на процесс перехода пленочного режима в пузырьковый [10]. Взрывной сход паровой пленки сопровождался пульсациями давления и звуковыми эффектами. Импульс давления составлял десятки килопаскалей и длился десятки миллисекунд. Температура схода паровой пленки превышала температуру предельного перегрева. Указанное явление связано с появлением и распространением холодных пятен на поверхности нагрева.

Заключение (результаты за 2006 год)

Экспериментальная установка для изучения особенностей пленочного кипения оснащена необходимыми средствами термометрии. Создан новый нагревательный элемент в виде обращенного торцевой поверхностью вниз цилиндра. Проведены стендовые испытания.

Разработана физическая и математическая модели взаимодействия сильно нагретого тела с жидкостью. На основании полученных результатов проведена коррекция физической модели с учетом взаимного влияния фаз.

Список литературы

1. Селянинова Ю.Ю. Крюков А.П. Определение формы осесимметричной межфазной поверхности в сильнонеравновесных условиях // Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». – М.: Издательство МЭИ, 2005. – Т. 1. – С. 272–275.     [ << ]

2. Гидромеханика невесомости // Под. ред. Мышкиса А.Д. – М.: Наука, 1976. – 506с.     [ << ]

3. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // ТВТ. – 1969. – Т. 7, №5. – С. 959–967.     [ << ]

4. Крюков А.П., Ястребов А.К. Анализ процессов переноса в паровой пленке при взаимодействии сильно нагретого тела с холодной жидкостью // Теплофизика высоких температур. – 2003. – Т. 41, №5. – С. 771–778.     [ << ]

5. Крюков А.П., Селянинова Ю.Ю., Влияние процессов тепломассопереноса на кривизну границы раздела фаз пар – жидкость. // CD-ROM publications. XXVIII Сибирский теплофизический семинар. – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2005. – Д-059.     [ << ]

6. Крюков А.П., Селянинова Ю.Ю. Форма межфазной поверхности при пленочном кипении воды на полусфере. // Труды Четвертой Российской Национальной Конференции по Теплообмену. – М.: Издательство МЭИ, 2006. – Т. 4. – С. 155–158.     [ << ]

7. Certain features of film boiling on a solid hemispherical surface / V.S. Grigoriev, Yu.P. Ivochkin, A.P. Kryukov Yu.A. Zeigarnik, V.G. Zhilin // 3rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. – Italy, Piza, 2004. – Vol.2. – P.1271–1277.     [ << ]

8. Исследование особенностей развития и схода паровой пленки на полусферических поверхностях / Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Кубриков К.Г. // CD-ROM publications. Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. – Мн.: ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ, 2004. – 5-17     [ << ]

9. Экспериментальное исследование смены режимов кипения на сильно перегретой полусфере, погруженной в недогретую жидкость / Глазков В.В., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Корякин С.А., Синкевич О.А., Цой В.Р. // Труды Третьей Российской Национальной конференции по теплообмену. – М.: Издательство МЭИ. – Т. 4. – С. 72–75.     [ << ]

10. Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Глазков В.В., Синкевич О.А. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // ТВТ. – 2005. – Т.43, №1. – С.100–114.     [ << ]

Список обозначений

δ – толщина пленки, м;
h – вертикальное расстояние от зеркала жидкости до межфазной поверхности, м;
Р – давление, Па;
q – плотность теплового потока, Вт/м2;
Ri – радиус, м;
r – радиальная координата, м;
T – температура, К;
z – вертикальная координата, м.
Индексы:
b – параметры на удалении;
s – параметры на линии насыщения;
w – параметры нагревателя;
0 – на оси z;
' – параметры жидкости;
'' – параметры пара.

Благодарности

Страница оформлена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект №06-08-01486).

Авторы благодарят профессора Крюкова А.П. за консультации (проект №06-08-08201).


* Пузина Ю.Ю., Ивочкин Ю.П. Изменение кривизны границы раздела фаз пар – жидкость под действием теплового потока // Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». – М.: Издательство МЭИ, 2007. – Т. 1. – С. 486–489.


Следующая страница: Форма межфазной поверхности при пленочном кипении воды на полусфере


    • Главная   • Пленочное кипение   • Исследование процессов переноса при пленочном кипении  

  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