Исследование влияния поверхности металлов и ионизирующего излучения на кинетику зародышеобразования в перегретых жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

" /

ч ;

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт теплофизики

На правах рукописи

ПАДЕРИН Ильяс Мусиевич

УДК 536.423.18

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КИНЕТИКУ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ В ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЯХ

Специальность 01.04.14. - Теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители доктор физико-математических наук

Е.Н. Синицын

доктор физико-математических наук, профессор Г.В. Ермаков

Екатеринбург, 1999 г.

сид^тли и и.

исновные ооозначения.................:>

ВВЕДЕНИЕ........................7

1 ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ В ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ .15

1.1. Работа образования парового зародыша в объёме жидкости ................................................... 15

1.2. Работа образования парового зародыша на гладкой твёрдой поверхности.........................................16

1.3. Зародышеобразование на искривлённой поверхности твёрдого тела...............................................19

1.4. Зародышеобразование в н асы те 11 но « ч и его й » жидкостью пористом слое твёрдого тела...........................21

1.5. Зародышеобразование в перегретой жидкости при локальном выделении тепла.................................27

1.6.Частота зародышеобразования...........................28

1.7.Модели вскипания жидкости на поверхности твёрдого тела. Обзор экспериментальных работ по вскипанию перегретой жидкости на поверхности твёрдых тел..........33

1.8. Методы прогнозирования числа действующих центров зародышеобразования.....................................40

1.9. Постановка задачи....................................44

2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ В ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ НАЛИЧИИ ИНИЦИИРУЮЩЕЙ ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ........... ......46

2.1. Экспериментальная установка.........................46

2.1.1.Блок-схема экспериментальной установки.............46

2.1 ^.Измерительная ячейка................................48

2.1.3.Система заполнения и откачки.........................49

2.1.4.Рабочая камера и система создания давления.........51

2.1.5.Система термостатирования и измерения температуры ... 55

2.1.6.Система измерения и регистрации времени ожидания вскипания перегретой жидкости..........................5 /

2.2.Методика измерений и обработки полученных данных. Погрешности измерений..................................59

3.ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА «ПРИРАБОТКИ» ПОВЕРХНОСТИ В ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ................................64

3.1.«Приработка» металлической поверхности...............64

3.2.Статистический анализ процесса «приработки»...........72

4. КИНЕТИКА ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЯ В ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДОГО ТЕЛА. ... 83

4.1 .Достижимый перегрев жидкости на поверхности металлов. .83

4.2.Умеренный перегрев жидкости на поверхности металлов . .94

4.3.Модель зародышеобразования на металлической поверхности в перегретой жидкости..................................98

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВСКИПАНИЯ ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ а и Р- ИЗЛУЧЕНИЯ..........................................106

5.1.Модели инициированного зародышеобразования в перегретой жидкости заряженными частицами высокой энергии......106

5.2. Обзор экспериментальных работ по инициированному зародышеобразованию в перегретой жидкости заряженными

частицами высокой энергии............................Iii

5.3. Изучение вскипания перегретой жидкости под действием а и /?-излучения.................................114

5.4. Феноменологическая модель инициированного вскипания умеренно перегретой жидкости..........................125

ЗАКЛЮЧЕНР1Е..........................................129

Список литературы.....................................132

Основные обозначения

Т - температура, К Р - давление, Н/м2 V - объём, м3 т - масса, кг р - плотность, кг/м3 £ - площадь поверхности, м2 К ,г - радиус, м а - диаметр, м

а - коэффициент поверхностное натяжение, Н/м // - химический потенциал, Дж/'кмоль IV - работа образования зародыша, Дж в - краевой угол смачивания, град П - относительная пористость и - внутренняя энергия, Дж

3 - частота зародышеобразования в единице объёма, 1/(м3 с)

N - количество молекул в единице объёма жидкости, 1/ м/;

В - кинетический коэффициент, 1/с

к - постоянная Больцмана, к— 1.380662 10"2! Дж/К

Ь - скрытая теплота испарения, Дж/'кг

Л - коэффициент теплопроводности, Вт/( м К)

а - коэффициент техмпературопроводности, ы1! с

с - удельная теплоёмкость, Дж/(кг К)

q - удельный тепловой поток, Вт/м2

тг время ожидания вскипания, с

т - среднее время жизни перегретой жидкости, с С - число Гиббса I - потенциал ионизации, эВ Е - энергия частицы, МэВ V - скорость частицы, м/с

Индексы ' - жидкая фаза " - паровая фаза к - критический зародыш $ - параметры насыщения

... /-»ГПЛТТТ/'П Г1Г\Г\П1ЛЛ'ТТГ>ОТТ1 ТТ»>-ПГ>ОГ»П

и' - С I сп IVа I И па! рыза

С -ВПаДИНа

п -перегрев

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Кипение жидкости - одно из наиболее распространённых физических явлений, встречающихся во многих производственных процессах, связанных с металлургией, машиностроением, энергетикой, космической техникой, химической и пищевой промышленностью. Изучение природы и поведения центров кипения является крайне важным, поскольку в большинстве случаев при решении технологических задач приходится сталкиваться с неравновесным парообразованием, которое под час приводит к аварийным ситуациям. Традиционные работы по кипению в основном рассматривают механизм зародышеобразования при малых перегревах, поэтому изучение кинетики вскипания жидкости в области высоких перегревов на поверхности твёрдых тел, включая гладкие, пористые структуры и мелкодисперсный порошок, представляет большой научный интерес и, зная природу таких центров кипения, позволяет прогнозировать поведение подобных термодинамических систем.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по перегреву жидкостей в чистых условиях [1-4] и в присутствии внешних полей [5-11] (электромагнитного, ультразвукового, у -излучения). Работы, связанные с перегревами на поверхности твёрдых тел, в основном ограничиваются изучением вскипания перегретой жидкости на проволочках [12,13]. Однако в реальных условиях

приходится встречаться с большими поверхностями твёрдых тел, находящимися в контакте с перегретой жидкостью. Такие поверхности, в частности, могут включать в себя капиллярно-пористые структуры и мелкодисперсные порошки. Поэтому экспериментальное изучение центров вскипания на таких поверхностях даёт новый материал для развития представлений о физике фазовых превращений в сложных энергонапряжённых системах.

Мель работы. Экспериментальное изучение кинетики за-родышеобразования перегретой жидкости на поверхности твёрдых тел и под действием ионизирующего излучения:

■ исследование процесса «приработки» различных поверхностей твёрдых тел (гладких, пористых, порошкообразных) в результате вскипания на них перегретой жидкости;

■ исследование вскипания перегретой жидкости на поверхности твёрдых тел в зависимости от её развитости;

■ исследование влияния а \\ (3 - излучения слабой интенсивности на вскипание перегретой жидкости;

■ прогнозирование поведения центров парообразования перегретой жидкости на поверхности твёрдого тела на основе модели активационного зародышеобразования на ослабленном месте;

■ анализ полученных экспериментальных данных по умеренному перегреву жидкости в присутствии разветвлённой поверхности на основе модели инициированного вскипания жидкости.

Научная новизна.

• Впервые методом измерения среднего времени жизни с помощью пузырьковой камеры изучена кинетика вскипания перегретых органических жидкостей на различных металлических пористых поверхностях, включая мелкодисперсные порошки, в широком интервале температур вплоть до границы достижимых пере! рёвоВ.

• В процессе «приработки» металлической поверхности выявлена его нестационарность с заметным последействием.

• Установлено, что вскипание на «приработанных» гладких и пористых металлических образцах в перегретой жидкости происходит на слабых местах по активационному механизму.

• В области умеренных перегревов для пористых металлических образцов в малом объёме и для гладких в большом - обнаружены участки постоянной вероятности вскипания жидкости

• Проведены измерения средних времён ожидания вскипания перегретого н-пентана, ацетона и бензола в ячейках с торие-вым ос - источником и н-пентана с эталонным ¡3-источником в широком интервале температур при различных давлениях.

Автор защищает: и результаты экспериментального исследования по «приработке» поверхностей опытных образцов (медная и свинцовая фольга, нержавеющая трубка, пористые насадки из никеля и титана, никелевый порошок) в перегретом н-пентане и ацетоне; Ш результаты экспериментального исследования кинетики заро-дышеобразования перегретого н-пентана и ацетона на гладких

поверхностях (медь, свинец, нержавеющая сталь), капиллярно-пористых структурах из никеля и титана, мелкодисперсном никелевом порошке;

■ результаты измерения температур достижимого перегрева н-пентана, ацетона на поверхности пористого никеля и титана в зависимости от пористости и метода обработки поверхности;

■ результаты по вскипанию перегретого бензола и ацетона под действием слабого оС- излучения и перегретого н-пентана - под действием £ - излучения;

■ вывод о том, что процесс «приработки» поверхности является процессом с последействием и каждая последующая выборка случайной величины может быть описана нормированным потоком Эрланга более высокого порядка;

■ утверждение о том, что на хорошо «приработанной» сильно-развитой поверхности жидкость перегревается практически до границы гомогенного зародышеобразования, недогрев составляет 2-3 К;

■ вывод о том, что вскипание жидкости на поверхности твёрдого тела независимо от её развитости происходит на слабых местах поверхности и развивается по активационному механизму.

Практическая значимость работы.

Работа выполнялась в соответствии с координационными планами 01.910 015852, 01.960.0 05243 при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов: 93-02-17251,95-02-04920-а, 98-02-17503).

1. Полученные результаты по «приработке» металлических поверхностей способствуют более глубокому пониманию природы воздействия вскипания перегретой жидкости на контактирующую с ней поверхность и могут быть использованы при прогнозировании поведения тепло-передающих устройств в режиме запуска и длительной эксплуатации.

2. Цолученные данные по степени перегрева жидкости в зависимости от размеров пор и материала, способа обработки поверхности пористых образцов могут быть полезны при проектировании тепловых труб.

3. Полученные результаты по вскипанию бензола и ацетона под действием оС- излучения слабой интенсивности и н-пентана под действием £ - излучения могут быть применимы в микродозиметрии.

4. Расчёты энергетических потерь оС- частицами в н-пентане, ацетоне и бензоле на длине пробега, равной размерам критического пузырька могут быть полезны в ядерной энергетике. Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано в соавторстве 11 печатных работ. Результаты диссертационной работы докладывались на: 1-ом , 2-ом Международных форумах по тепло и массообмену (Минск, 1988, 1992), III Всесоюзной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 1989), II Всесоюзном совещании по теплофизике метастабильных жидкостей (Свердловск 1989), I Международной конференции по приоритетным

направлениям в научном приборостроении (Ленинград, 1990), Второй Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998).

Диссертация содержит введение, пять глав и заключение.

Первая глава - обзор теоретических и экспериментальных работ по кинетике зародышеобразования в перегретой жидкости на поверхности твёрдого тела. В главе приводятся основные формулы для расчёта работы образования критического пузырька пара в объёме «чистой» жидкости; в зависимости от профиля поверхности твёрдого тела, контактирующей с перегретой жидкостью и в присутствии пористого каркаса твёрдого тела. Обсуждаются модели вскипания жидкости на поверхности твёрдого тела и методы прогнозирования числа действующих центров зародышеобразования. В конце главы сделана постановка исследовательской задачи.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, методики измерения и обработки данных, погрешностей измерений и вычисления случайных ошибок.

В третьей главе приведены результаты систематического исследования процесса «приработки» различных металлических поверхностей (гладких, пористых и мелкодисперсного порошка) в перегретой жидкости, даётся статистический анализ полученных данных, выясняется влияние степени развитости поверхности на длительность «приработки».

В четвёртой главе представлены результаты детального исследования кинетики вскипания перегретой жидкости на

пористой металлической поверхности в зависимости от пористости, размеров пор, способа обработки поверхности образцов. Приводится сравнение температурных зависимостей времён ожидания вскипания перегретой жидкости в «чистых» условиях с результатами, полученными на различных металлических поверхностях, начиная от гладких и заканчивая сильно разветвлёнными. Обсуждаются результаты измерений по температуре достижимых перегревов и частоте зародышеобразова-ния в н-пентане и ацетоне на пористых структурах из никеля и титана в зависимости от площади поверхности. Проводится сравнительный анализ данных, полученных при умеренном перегреве жидкости на капиллярно-пористой структуре, с результатами по инициированному вскипанию жидкости вследствие излучения. Предлагается способ расчёта действующих центров парообразования в рамках активационной модели вскипания перегретой жидкости на слабых местах кон-тактиоуюшей с ней повеохности.

JL X

В пятой главе приведены результаты изучения вскипания перегретой жидкости под действием а J3- излучений слабой интенсивности. Проводится анализ полученных данных на основе модели инициированного вскипания жидкости.

Завершается работа заключением, в котором сформулированы основные результаты диссертации.

Работа выполнялась в Институте теплофизики УрО РАН. Она была начата в лаборатории гидродинамики и теплообмена под руководством док. физ.-мат. наук E.H. Синицына, которым

были поставлены основные задачи исследования и сформулирована программа работы. Работа явилась продолжением исследований по влиянию различных инициирующих факторов на кинетику вскипания перегретой жидкости, проводимых ранее E.H. Синицыным с сотрудниками.

В связи с безвременной кончиной E.H. Синицына и расформированием лаборатории ГД и ТО работа была продолжена по намеченной ранее программе и завершена в лаборатории свойств веществ и сверхпроводящих материалов под руководством док. физ.-мат. наук Г.В. Ермакова.

Прежде всего хочется поблагодарить, рано ушедшего, моего первого научного руководителя работы, зав. лабораторией гидродинамики и теплообмена, доктора физ.- мат. наук E.H. Синицына, о котором я всегда буду помнить, как о целеустремлённом учёном, человеке высокой культуры, истинном интеллигенте.

Я так же хочу выразить свою благодарность моему нынешнему научному руководителю работы, зав. лабораторией СВ и СПМ, профессору Г.В. Ермакову. На разных этапах при обсуждении результатов работы и проведении экспериментов принимали участие зав. лабораторией БП и ФК, профессор П.А. Павлов и сотрудники института B.C. Усков, С.А. Перминов. Всем им я также приношу мою искреннюю признательность.

1. ЗАРОДЫ ШЕОБРАЗОВАНИЕ В ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

1.1. Работа образования парового зародыша в объёме

*\ЖЛЖЖ Г¥ ЖУ*Л/*ТЖЖ

Л\С1Д1\иС ж II

Перегрев жидкости относительно температ>7ры насыщения при заданном давлении связан с наличием определённого ак-тивационного барьера, который она должна преодолеть для того, чтобы в ней родился критический зародыш пара. Согласно исследованиям Гиббса [14] высота этого барьера определяется величиной работы образования зародыша, состоящей из работы образования поверхности, объёмной работы против сил давления и «молекулярной» работы:

IV = сг • 5 + (Р' - Р") • V" + {¡л" - //] • т", (1.1)

где сг- поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-пар; 5, V" -площадь поверхности и объём зародыша; т" -масса паровой фазы; Р", /",//",//' - давление и химический потенциал соответственно пара и жидкости.

В случае равновесия парового зародыша с жидкостью должно выполняться условие механического равновесия между фазами:

Р" = Р' + 2а/Я

(1.2)

Кроме того необходимо равенство температур Т - Т" = const и равенство химических потенциалов:

М\Р',Г) = М"(Р",Т") (1.3)

Тогда, используя выражение (1.3) с учётом (1.2), из уравнения (1.1) можно получить формулу для величины барьера, по достижении которого дальнейший рост пузырька пара в объёме перегретой жидкости становится термодинамически

ВЫ! ОДНЫМ.

16;та2

Wk=-—---(1.4)

* 3 (Р"-Р')2 к J

1.2.Работа образования парового зародыша на гладкой твёрдой поверхност