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

Сопоставление процессов переноса при пленочном кипении с недогревом на обращенных вниз поверхностях *

Ивочкин Ю.П.¹, Крюков А.П.², Кубриков К.Г.¹, Пузина Ю.Ю.²

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

Постановка задачи

Рассматривается нагреватель радиусом Rw, погруженный в воду (рис. 1), температура которой Tb в общем случае ниже температуры, соответствующей по линии насыщения давлению над свободной поверхностью жидкости Pb. Температура нагревателя Tw такова, что на его поверхности образуется паровая пленка. Форма межфазной поверхности описывается в цилиндрической системе координат r – z, за начало отсчета принята нижняя точка межфазной поверхности, расположенная на оси симметрии.

Схема рабочего участка
Рис. 1. Схема рабочего участка: а) полусфера; б) цилиндр.

Отличием задачи с цилиндрическим нагревателем является наличие дополнительного независимого геометрического параметра – глубины погружения нагревателя hw.

Экспериментальная установка

Упрощенная схема экспериментальной установки для исследования пленочного и переходного кипения на плоских нагревателях, погружаемых в воду (вода недогрета до температуры насыщения) показаны на рис.2. Эксперимент происходил следующим образом. В исходном состоянии рабочий участок 12 (рис.2) нагревался на воздухе или в атмосфере аргона, причем максимальная температура нагрева не превышала 800 °С. Затем электрический нагреватель 6 отключался, а рабочий участок (латунный цилиндр с плоским торцевым окончанием) с помощью специального координатного устройства со скоростью несколько десятых долей миллиметра в секунду приближался (опускался) к плоской водной поверхности. В опытах исследовались явления, сопровождающие образование паровой пленки при медленном погружении нагретого тела. Стеклянная ванна с дистиллированной водой 14 была размещена в другой стеклянной ванне 13, заполненной инертным газом – аргоном. Узел установки 9, на котором крепился рабочий участок, был изготовлен на основе прецизионного координатного устройства от горизонтального микроскопа типа МГ. Это позволило погружать нагреватель в воду с шагом 2 мкм и улучшить плавность его хода, т.е. существенным образом уменьшить вибрации, вызванные перемещением координатного устройства.

Отличительной чертой проведенных опытов было измерение давления в самой паровой пленке, как в условиях пленочного, так и переходного кипения. Для этого был разработан рабочий участок, в котором исследуемая паровая полость с помощью импульсной линии соединена с датчиком давления. Нагреваемый элемент рабочего участка выполнен в форме цилиндра диаметром 10 мм с плоским торцевым окончанием. На изготовленном из латуни Л62 цилиндре расположен спиральный нагреватель. В качестве материала нагревательного элемента были использованы два не соприкасающихся друг с другом провода (хромель, алюмель), которые были покрыты высокотемпературным изолятором и размещались в капилляре из нержавеющей стали. Для внешней теплоизоляции нагревателя использовался высокотемпературный цемент марки ВГКЦ-75-0.5. Описанная конструкция позволила повысить надежность работы опытного участка в условиях повышенной влажности и предотвратить возможность электрического замыкания спирали на горячий цилиндрический сердечник нагревателя.

Упрощенная схема экспериментальной установки
Рис.2. Упрощенная схема экспериментальной установки.
1 – манометр; 2 – видеокамера; 3 – вентиль; 4 – пьезоэлектрический датчик давления;
5 – сосуд Дюара; 6 – усилитель зарядов; 7 – термопарный усилитель;
8 – компьютер (системный блок фирмы National Instruments); 9 – координатное устройство;
10 – видеокамера; 11 – баллон с аргоном; 12 – рабочий участок;
13 – прозрачный сосуд с аргоном; 14 – прозрачный сосуд с водой

Визуальное наблюдение исследуемых явлений осуществлялось с использованием микроскопов. Видеосъемка пленочного и переходного кипения проводилась с помощью цифровых видеокамер Cannon (тип MV500) и Redlike (тип MotionScope1000). Скоростная видеокамера MotionScope1000 позволяет снимать процесс с максимальной скоростью 1000 кадр/c и минимальным временем экспозиции 1/8000с.

Опыты в открытом сосуде (т.е. при атмосферном давлении) были выполнены при начальных температурах воды и нагретой поверхности 20 и 600°С, соответственно. Характерное значение величины удельного теплового потока qw составляло 4·105 Вт/м2. Температуры латунного цилиндра на различных его участках, а также значение теплового потока определялись по показаниям хромель—алюмелевых и хромель–копелевых термопар, соединенных по трехпроводной схеме, что позволило существенным образом повысить точность тепловых измерений. Нижняя термопара была заложена на расстоянии ~ 0.5 мм от торца нагревателя. В центре цилиндра вдоль всей его длины (~120 мм) расположено сквозное отверстие диаметром 2 мм, предназначенное для отбора давления с торцевой поверхности при пленочном кипении. Это отверстие связывает паровую полость с датчиками давления. В качестве измерителя квазистационарного давления при спокойном пленочном кипении использовался U – образный манометр, а для фиксации перепада давления, ввиду малости его значения (~ мм водяного столба), использовались методы, основанные на регистрации перемещения мениска наклонного манометра с помощью либо катетометра, либо цифровой видеокамеры, с последующей обработкой видеоматериала на компьютере. Исследования быстрых нестационарных процессов осуществлялись с использованием программного продукта Labview, пьезоэлектрическим датчиком давления фирмы Kistler, работающим совместно с усилителем зарядов и измерительной аппаратурой фирмы National Instruments.

Анализ результатов

Методика расчета формы межфазной поверхности, основанная на сочетании методов механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории, позволяет определить характеристики тепломассопереноса при пленочном кипении недогретой жидкости на полусфере и обращенной вниз торцевой поверхности цилиндра. Сравнение численных данных проводится при выбранной температуре нагревателя Tw = 700°C (табл. 1), причем в первом приближении считается, что теплота в паре распространяется теплопроводностью. При этом доля поступающего от нагревателя к межфазной поверхности теплового потока на испарение для полусферы определяется в результате решения, тогда как для цилиндра рассматриваются предельные ситуации: полного испарения и отсутствия массового потока с границы раздела фаз пар – жидкость.

Таблица 1. Сравнение характеристик тепломассопереноса при пленочном кипении на полусфере и торцевой поверхности цилиндра.

Полусфера Цилиндр
Tw, °С 700 700
Rw, 10-3 м 5 5
hw, 10-3 м - 1
γ 0.748 0 1
h0, 10-3 м 5.23 2.12 1.82
δ0, 10-3м 0.233 1.12 0.82
qw0, 105 Вт/м2 1.5 0.294 0.401
К0, 1/м 185 3.89 2.72
(P0''–Pb), Па 73 22 19

Как видно из представленных данных, различия величин тепловых потоков qw0 и соответствующей разности давлений (P0''–Pb) довольно значительны, что обусловлено более глубоким расположением нижней точки нагревателя для полусферы. Это определяет расхождение геометрических параметров поверхностей в лобовой точке: кривизны и толщины паровой пленки. Тем не менее, общий вид межфазной поверхности сохраняет качественные особенности, характерные для задач подобного типа (рис. 3). В нижней точке межфазная поверхность является вогнутой, тогда как по мере приближения к уровню свободной поверхности жидкости кривизна уменьшается и меняет знак, то есть поверхность становится выпуклой. Происходит плавный переход от наклонной поверхности к горизонтальной плоскости. Расхождение кривых (1) и (2), а именно более широкая область деформации жидкости, обусловлено как раз различиями в геометрии нагревателей: кромка плоского торцевого окончания цилиндра существенно выступает относительно полусферической поверхности, которая в свою очередь по постановке задачи располагается значительно глубже.

Зависимость отношения z/h0 от радиуса
Рис. 3. Зависимость отношения z/h0 от радиуса: 1 – полусфера; 2 – цилиндр (γ=0).

Последнее можно проиллюстрировать различной тенденцией изменения безразмерной толщины паровой пленки по мере удаления от оси симметрии (рис. 4). Для полусферы эта зависимость носит монотонный характер, чем ближе к поверхности, тем толщина паровой пленки больше. Что касается цилиндра, то здесь ограничение плоской поверхностью приводит к тому, что толщина паровой пленки уменьшается по мере приближения к кромке, а затем уже начинает увеличиваться, причем зависимости (1) и (2) практически эквидестантные.

Зависимость отношения z/h0 от радиуса
Рис. 4. Зависимость отношения δ/δ0 от радиуса: 1 – полусфера; 2 – цилиндр (γ=0).

Сопоставление данных для предельных случаев проницаемости границы раздела фаз пар – жидкость для потока массы (рис. 5) показывает, что в целом расхождение характерных величин не является принципиальным (табл. 1). Толщина паровой пленки в лобовой точке колеблется в пределах 30% при изменении доли теплового потока на испарение. Тем не менее, полученный результат ограничивает область существования устойчивой паровой пленки при выбранных исходных данных. В дальнейшем включение уравнения, описывающего движение пара в пленке, позволит более точно определить гидравлическое сопротивление канала, образованного проницаемой для потока массы межфазной поверхностью и непроницаемой стенкой нагревателя. При решении задачи с полусферическим нагревателем в первом приближении используется уравнение одномерного стационарного ламинарного нестабилизированного течения в трубе, что позволяет получить удовлетворительное согласование с экспериментальными данными.

Зависимость z(r) для разной испаряемости
Рис. 5. Зависимость z(r) для разной испаряемости с границы раздела фаз пар – жидкость:
1 – цилиндр (γ=0); 2 – цилиндр (γ=1); 3 – очертания нагревателя.

Применение неравновесного граничного условия позволяет решать сопряженные задачи. При этом «кинетическая добавка», обусловленная действием теплового потока на межфазной поверхности пар – жидкость, определяет не разность давления жидкости и актуального давления пара, а связывает последнюю величину с линией насыщения, а именно с давлением, соответствующим по линии насыщения температуре жидкости вблизи границы раздела фаз.

Заключение

Результаты исследований характеристик пленочного кипения на обращенных вниз нагретых поверхностях в условиях недогрева показывают, что форма межфазной поверхности имеет сложное очертание с точкой перегиба вблизи свободной поверхности и плавным выходом на зеркало жидкости. Статическое давление внутри парового слоя в пределах погрешности эксперимента, определяется глубиной погружения исследовательского образца в воду (т.е. гидростатическим давлением). Концентрация растворенных газов и температура нагретой жидкости влияет на стабильность паровой пленки.

Список литературы по тематике исследований

1. 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, 2002. – Т. 4. – С. 72–75.

2. 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.

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. Ивочкин Ю.П., Кубриков К.Г. Поведение паровой пленки на обращенных вниз полусферических и плоских нагревателях, погруженных в холодную воду. // 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. 200 – 203.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Кубриков К.Г., Ивочкин Ю.П. Экспериментальное исследование характеристик пленочного и переходного кипения на нагретых полусферических поверхностях // 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. 438–441.

Список обозначений

γ – доля теплового потока на испарение;
δ – толщина пленки, м;
h – вертикальное расстояние от зеркала жидкости до межфазной поверхности, м;
K – кривизна поверхности, 1/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;
w – параметры нагревателя;
0 – на оси z;
'' – параметры пара.

Благодарности

Эта страница оформлена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты №06-08-01486 и №08-08-00638).



* Kryukov A.P., Puzina Yu.Yu. Transfer processes at the film boiling on the downward heated surface. // Proceedings of the 20-th International Symposium on Transport Phenomena. – Victoria, British Columbia, Canada, July 7–10 2009. – Сборник на компакт-диске. – #96.


Следующая страница: Прогиб межфазной поверхности при пленочном кипении на обращенной вниз торцевой поверхности цилиндра


    • Главная   • Пленочное кипение   • Сопоставление 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