Экспериментальное исследование фронтов испарения при гетерогенном вскипании тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



---) / ■■ и (./-<■■ /:>...../ X I! 7

российская академия наук сибирское отделение институт теплофизики

На правах рукописи

Овчинников Валерий Викторович

Экспериментальное исследование фронтов испарения при гетерогенном вскипании

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 01.04,14 - теплофизика и молекулярная физика

Научный руководитель д.т.н. Авксенткж Б.П.

Новосибирск-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список принятых обозначений...............................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................8

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДИНАМИКЕ ВСКИПАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ.........11

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ........................................................................16

2.1. Описание экспериментальной установки............................................................16

2.2. Методика проведения опытов...............................................................................21

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ......................................................................45

3.1. Опыты с органическими жид костями при квазистационарном

подводе тепла..........................................................................................................48

3.2. Опыты с водой на рабочем участке диаметром 2.5 мм.......................................66

3.3. Опыты по вскипанию при давлениях выше атмосферного................................84

3.4. Опыта на рабочем участке, расположенном вертикально.................................91

3.5. Исследование динамики гетерогенного вскипания жидкости при перефевах близких к предельным............;...........................................................95

3.6. Опыты по вскипанию при высоких недогревах жидкости до температуры насыщения............................:.........................................................105

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ............................................113

4.1. Модели для описания процесса распространения фронта

испарения по нагревателю...................................................................................114

4.2. Особенности применения "электротермографического" метода,

при определении скорости распространения фронта испарения.....................137

4.3. О форме растущего парового образования после появления

фронтов испарения...............................................................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................144

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................145

Список принятых обозначений

А коэффициент в формулах, размерность произвольная:

а коэффициент температуропроводности, м2/с;

ац.; переводной коэффициент для датчика электрического тока, А/В;

В коэффициент в формулах, размерность произвольная;

Ъ эмпирический коэффициент в формулах, размерность произвольная;

Сь коэффициент при степени в законе роста парового образования в поперечном

направлении, мм/с5;

с" скорость звука в паре, м/с;

Ср удельная теплоёмкость, Дж/кг;

Цп внутренний диаметр рабочего участка, мм;

Е>н наружный диаметр рабочего участка, мм;

% ускорение силы тяжести, 9.8065 м/с2;

О критерий Гиббса, безразмерное;

От число Грасгофа, безразмерное;

Б расстояние от центра парового образования до фронта конденсации, мм;

1 !

Рь расстояние от центра парового образования до левого фронта конденсации, мм;

Ря расстояние от центра парового образования до правого фронта конденсации, мм;

Н удельная теплота парообразования, Дж/кг,

Ь радиус первичного парового пузыря (половина поперечного размера парового

образования в сечении возникновения парового пузыря), мм;

Ьь высота уровня жидкости над рабочим участком, мм;

} поток массы вещества, кг/(м2,с);

1а число Якоба, безразмерное;

& электрический ток через рабочий участок, А;

к постоянная

Больцмана, 1.38- КГ" Дж/К;

Ь расстояние от центра парового образования до фронта испарения, мм;

Ьь расстояние от центра парового образования до левого фронта испарения, мм;

Ьн длина рабочего участка, мм;

Ья расстояние от центра парового образования до правого фронта испарения, мм;

Ме молекулярный вес, кг/кмоль;

пк масса молекулы, кг,

N выделяемая мощность на рабочем участке, Вт;

и число реализаций, безразмерное;

Ига число молекул в единице объёма, 1/м3;

N11 число Нуссельта, безразмерное;

Р давление, Па;

Р3 давление насыщения. Па;

Ру давление в рабочем объёме, Па;

Ре число Пекле, безразмерное;

<3 теплота, Дж;

q тепловой поток через поверхность, Вт/м ;

ра мощность выделяемая в рабочем участке отнесенная к единице поверхности, Вт/м2;

К электрическое сопротивление, Ом;

г радиус, м;

П радиус кривизны фронта испарения, м;

Гег критический радиус парового пузыря, м;

На число Ралея, безразмерное;

Яе число РеЙнольдса, безразмерное; .

Ко универсальная газовая постоянная, 8314 Дж/(К-кмоль);

Зад площадь поверхности рабочего участка,

м2:

«г показатель степени в степенной зависимости для роста парового образования в

продольном направлении, безразмерное;

йь показатель степени в степенной зависимости для роста парового образования в

поперечном направлении, безразмерное;

Т температура, К;

Та средняя температура рабочего участка, К;

Т5 температура насыщения, К;

Т1 температура жидкости на уровне рабочего участка, К;

Т« температура поверхности рабочего участка, К;

г время, сек;

^ время прихода волны разряжения к акустическому датчику, сек;

1ь время ожидания вскипания, сек;

^ время появления фронтов испарения, сек;

^ время прохождения фронтом испарения координаты проекции центра

акустического датчика, сек;

и электрическое напряжение, В;

и скорость, м/с;

Иы падение электрического напряжения на рабочем участке, В;

11т терме Э.Д.С термопары, мкВ;

V скорость, м/с;

У{ скорость фронта испарения, м/с;

У£соп скорость фронта конденсации, м/с;

У£у скорость фронта испарения, м/с;

ш вероятность, безразмерное,

\¥* работа для образования парового зародыша критического размера, Дж;

х продольная координата на рабочем участке, мм;

X продольная координата на кинокадре, мм;

ха продольная координата проекции центра акустического датчика на рабочий участке, мм;

хь продольная координата места вскипания на рабочем участке, мм;

ха продольная координата левого фронта вскипания на рабочем участке, мм;

/

Х£ продольная координата правого фронта вскипания на рабочем участке, мм;

у поперечная координата относительно рабочего участка, мм;

У поперечная координата на кинокадре^ мм;

\а коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2"К)[

р коэффициент термического расширения, 1/К;

у показатель адиабаты, безразмерный;

Дт изменение массы, кг;

ДТ5иь=(Тн-Т1) недогрев жидкости до температуры насыщения, К; АТ}=(Т-Т1) перегрев относительно температуры жидкости, К;

ДТ5=(Т-ТЯ) перегрев относительно температуры насыщения, К;

ДУ изменение объёма, м3;

Др изменение акустического давления, Па;

8Т>1 перепад температуры в стенке рабочего участка, К;

толщина теплового слоя, м;

б коэффициент, безразмерный;

0 коэффициент, безразмерный;

X коэффициент теплопроводности, Вт/(К-м);

ц д инамическая вязкость, кг/(м-с);

V кинематическая вязкость, м2/с; р плотность, кг/м3;

а поверхностное натяжение, Н/м;

Т

Ti

верхние

нижние sub N s f w

время, мкс;

время съёмки i кадра на киноплёнке от момента вскипания, мкс (или мс); время одного оборота зеркала скоростной кинокамеры ВСК-5, мкс;

индексы

жидкость на линии насыщения пар на линии насыщения

недогрев рабочий участок

насыщение *

фронт i

стенка i

Обозначения для процесса распространения фронтов испарения

ха - координата проекции центра акустического датчика давления

левый край рабочего участка, Хь г

правый край рабочего участка, х^

К), - координата I места вскипания |

- момент появления фронтов испарения

Растущий первичный пузырёк

Фронт испарения слева

Фронт испарения справа

Размеры растущего двухфазного образования

(2-Ь) продольный размер двухфазного образования

ха - левая координата фронта испарения; Ьь= (ха-хь)

(2-Ь) поперечный размер первичного пузыря

х& - правая координата фронта испарения; (х&-хь)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Кипение жидкостей обеспечивает высокую интенсивность процессов тепло - и массопереноса в современных энергонапряженных технологиях: энергетика, ракетная и лазерная техника, химическая и холодильная промышленность, криогенная техника, микроэлектроника и другие. Кипение - существенно неравновесный процесс и сопряжен с возникновением метастабильвых состояний жидкой фазы. Высокие уровни перегревов жидкости реализуются при процессах, происходящих при паровых взрывах, кризисах теплообмена, переходном режиме кипения. Необходимость создания методов расчёта этих процессов обуславливает практическую значимость исследований динамики распада метаетабильной жидкости.

Высокая интенсивность теплосъёма при пузырьковом кипении сохраняется лишь до определённых плотностей теплового потока, выше; которых происходит ухудшение теплоотдачи (кризис теплообмена). Безаварийная работа устройств с жидкостным теплоносителем в значительной степени определяется правильным выбором режимных параметров, исключающим возможность возникновения кризиса теплообмена. Несмотря на интенсивное исследование кризисов теплообмена при кипении в большом объёме и каналах, не поняты все физические аспекты, обуславливающие это явление. Пониманий его в значительной степени затруднено из-за отсутствия экспериментальных данных, имеющих фундаментальный характер, которые бы явились основой для создания адекватных теоретических моделей.

В 70-х годах было установлено, что в условиях большого объёма может происходить переход от режима однофазной конвекции в жидкости к плёночному кипению, минуя пузырьковый режим кипения. Этот процесс получил название 3 кризис теплоотдачи при кипении в условиях большого объёма. Было установлено, что этот кризис имеет пороговый характер - он возникает при перегревах жидкости около нагревателя выше определённого для данных условий и жидкости. Также было установлено, что процесс распространения парового образования вдоль поверхности нагревателя идёт с большой скоростью (порядка 10м/с). В связи с этим возникла необходимость исследовать динамику распространения парового образования на нагревателе.

Целью работы является:

- Получение новых экспериментальных данных по динамике распада метаетабильной пристенной жидкости в области высоких перегревов.

- Выявление основных механизмов, обуславливающих процесс распада метаетабильной пристенной жидкости.

Научная новизна. В исследованиях автора впервые:

1. Показано, что самоподдерживающиеся фронты испарения, образующиеся при распаде метаетабильной пристенной жидкости, распространятся с постоянной скоростью.

2. Измерены значения скорости фронта испарения для ряда органических жидкостей и воды при субатмосферных давлениях. Для хладона С-318 при давлениях выше атмосферного.

3. Определены значения скорости фронта испарения для бензола и толуола при перегревах близких к предельным.

4. Определены значения скорости фронта испарения для бензола на вертикально расположенном нагревателе.

5. Экспериментально обнаружено, при высоких недогревах жидкости до температуры насыщения, сосуществование фронтов испарения и конденсации.

6. В опытах с водой на поверхности, обеднённой центрами парообразования, при набросе тепловой нагрузки получен переход от режима однофазной конвекции к плёночному кипению. Показано, что механизм формирования паровой пленки в этом случае и третьем кризисе един, несмотря на то, что тепловой поток близок к первому критическому потоку в стационарных условиях.

Научная и практическая ценность. Полученные новые экспериментальные результаты могут быть использованы и уже используются для создания и тестирования моделей и методов расчета, описывающих кризисы кипения, тепловые взрывы.! Автор защищает: !

- Экспериментальные исследования динамики парообразования при гетерогенном вскипании метастабильной жидкости.

- Опытные данные по значениям скорости фронта испарения для ацетона, бензола, воды, толуола, хладона С-318, этанола.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1988, 1992, 1996 гг.), Всесоюзной конференции по теплообмену в парогенераторах (Новосибирск, 1988), 2 Всесоюзной конференции по теплофизике и гидродинамике процессов кипения и конденсации (Рига, 1988), 2 Всесоюзное совещание по теплофизике метастабильных жидкостей (Свердловск, 1989), Всесоюзной конференции молодых исследователей по теплофизике и гидрогазодинамике (Новосибирск, 1989), Всесоюзном семинаре по кризисам теплообмена при кипении (Новосибирск, 1989), 8 Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям при движении двухфазных потоков в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1990), , Международном совещании по межфазным взаимодействиям в много фазном потоке (Дубровник, Югославия. 1990), Международной конференции по новым достижениям в термогидравлических системах атомных реакторов (Рим, Италия, 1994), 2 Международной конференции по многофазным течениям (Киото, Япония, 1995), 2 Европейской теплофизичеекой и 14 Национальной конференции по теплопередаче (Рим, Италия, 1996), Международном симпозиуме по теплопередаче при кипении

и конденсации (Москва, 1997), 4 Всемирной конференции по экспериментальной теплопередаче, механике жидкости и термодинамике (Брюссель, 1997).

Основные результаты работы опубликованы в журналах: Известия СО АН СССР (серия технических наук), вып. 2, 1989 и вып. 4. 1990; Сибирский физико-технический журнал (теплофизика и тепломассообмен), вып. 1, 1992; Russian Jornal of Engineering thermophysics, Vol. 3, N1, 1993; Теплофизика высоких температур, т.32, №1, 1994; Журнал прикладной механики и технической физики, т.37, №6,1996; Теплофизика и Аэромеханика, т.5, №1,199S.

Автор в течение ряда лет был основным исполнителем экспериментальных исследований по динамике гетерогенного вскипания метастабильвых жидкостей. Постановка задач исследования осуществлена диссертантом в соавторстве с Авксентюком Б.П.. Автору принадлежит разработка методики экспериментов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок, проведении опытов, обработке и интерпретации результатов экспериментов. Эксперименты проводились совместно с Авксентюком Б.П. и Плотниковым ВЛ.

ГДАВА 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДИНАМИКЕ ВСКИПАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Наиболее завершённой теорией образования паровых пузырей в перегретой жидкости является теория гомогенного зародышеобразования [1-5], которая определяет верхнюю границу для перегревов перед вскипанием. Она оперирует понятием критического зародыша парообразования, которые возникают в жидкости спонтанно, в результате гегерофазных флупуаций. При любой степени перегрева жидкости равновесие с паровым пузырьком неустойчиво - пузырь либо увеличивается в размере или уменьшается. Математически это выражается в том, что термодинамический потенциал системы жидкость - паровой пузырь при равновесии имеет максимальное значение. Такой неустойчиво равновесный паровой пузырёк получил название критический зародыш парообразования. Значение его радиуса даётся уравнением

| (1Л)

где с - поверхностное натяжение, Р - давление пара в пузырьке, Ру - давление в жидкости. Условия для механического равновесия пузырька сводится к этому же уравнению. Гиббсом [6]

впервые получено выражение для работы образования критического зародыша

|

\¥, =->—— =-

'.-¿Г

V Р7 , (1.2)

где Р8 - давление насыщенных паров, р', р" - плотность пара и жидкости, соответственно. Им предложено рассматривать как в качестве меры устойчивости метастабильного состояния.

В стационарном случае теория гомогенного зародышеобразования дает следующее выражение для частоты образования жизнеспособных зародышей паровой фазы в однородной однокомпоненгной жидкости при температуре Т

1 = пт.В.ехр(-0), (1.3)

ТО.

где 1%, число молекул в единице объёма жидкости, О =--критерий Гиооса, кинетический

к-Т

коэффициент В по [ 1] равен

в, |-г-г-^ а.4)

где % - масса молекулы, к постоянная Больцмана, Н - теплота парообразования в расчете на одну молекулу. Эта теория рассматривает лишь стадию зарождения паровых пузырьков. Пузырьки критического размера как бы удаляются из системы и заменяются соответствующей массой жидкости. Работы [7-9] развивают теорию гомогенного зародышеобразования и дают примеры её применения для решения ряда практических проблем.

В экспериментах имеет место, как правило гетерогенное зародышеобразование [10,11], даже когда наблюдается хорошее согласие опытных данных по перегревам с расчетами по гомогенной теории микрофотографирование процесса вскипания показывает гетерогенную нуклеацию.

Теоретическое решение проблемы зародышеобразования при гетерогенном вскипании сильно усложнено большим количеством факторов влияющих на процесс: свойства поверхности нагрева, неоднородность температурного поля у поверхности, гидродинамикой жидкости, наличие примесей, газа в жидкости и на поверхности нагревателя в михро углублени