CC BY
147
УДК 536.248.2.001.24
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КРИЗИСА НЕНАСЫЩЕННОГО КИПЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Е.В. Анохина
Экспериментально доказано, что минимум на кривой испарения капель воды, 10% водной смеси этанола, 2% водной смеси и-бутанола, т.е. максимальная скорость испарения wmax этих жидкостей приходится на критическую тепловую нагрузку qcг при их ненасыщенном кипении. На основе этого опытного факта предлагается метод определения температуры, при которой наступает кризис ненасыщенного кипения жидкости. Получено, что стадии испарения капель жидкости соответствуют режимам ненасыщенного кипения этой жидкости
Ключевые слова: кипение, кризис кипения, кипение бинарных смесей, испарение жидкостей
ВВЕДЕНИЕ
Эффективным способом охлаждения теплонапряженных поверхностей является обтекание этой поверхности потоком капельной жидкости. В различных отраслях индустрии: энергетике, металлургии [1-3], радиоэлектронике [4] возникает проблема наиболее эффективной организации отвода очень высоких тепловых нагрузок. Поэтому ее решение является одной из актуальных задач современной теплотехники.
Если нанести каплю жидкости на поверхность сильно нагретого металла, то жидкость принимает форму сфероида. В таком «сфероидальном состоянии» капля существует некоторое время. При малых температурах греющей стенки она растекается и может контактировать с греющей стенкой. С ростом температуры плиты такой сфероид полностью отделен от поверхности
нагрева пленкой пара и с поверхностью нагрева уже не контактирует. Это явление впервые описано Лейденфростом [5] и нередко называется его именем.
Сфероидальное состояние жидкости напрямую связано с обеспечением безопасности тепловыделяющих поверхностей. Одной из основных задач исследователей является
предотвращение пережога поверхности нагрева при кипении жидкости при высоких тепловых
нагрузках. Одной из вероятных причин этого опасного явления можно назвать сфероидальное состояние жидкости, состоящее в том, что жидкость не способна смачивать и охлаждать поверхность нагрева, из-за того, что температура последней выше температуры Лейденфроста [6]. Температура Лейденфроста отвечает максимуму на кривой испарения — зависимости времени t полного испарения капли жидкости, нанесенной на горячую плиту, от температуры плиты Т.
Испарение капель на металлической плите являлось предметом многих исследований [1-3, 511]. Несложное экспериментальное оборудование для изучения этого явления способствует выявлению основных закономерностей данного
Анохина Елена Викторовна — ДГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: anohina@donpac.ru
феномена. Такие сведения помогут найти температурные интервалы наиболее интенсивного парообразования, а, следовательно, наиболее эффективно охладить тепловыделяющую поверхность.
Данная работа проведена с целью выявления аналогий в процессе испарения и ненасыщенного кипения, которые могут пролить свет на некоторые закономерности этих явлений. Мы хотим проверить, существует для других жидкостей (водных смесей этанола и и-бутанола) такая же связь, как и у воды [12], между режимами кипения и режимами испарения жидкости.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальная установка для
исследования кипения жидкостей в большом объеме при атмосферном давлении представлена в работе [13]. Мы использовали метод нагретой проволоки. В качестве поверхности нагрева была использована проволока из нихрома диаметром 150 мкм. Электропитание нагревательного элемента осуществлялось от батареи аккумуляторов напряжением 24 V. Исследовалось насыщенное кипение водных смесей этанола и и-бутанола. Напряжение и ток через нагреватель регистрировались одновременно двухканальным цифровым мультиметром типа АМ-1109. Относительная погрешность измерения тепловой нагрузки — 3%. Температуру тепловыделяющего элемента находили по градуировочной зависимости температуры от сопротивления. Сопротивление поверхности нагрева определялось с помощью мостовой схемы. Относительная погрешность измерения температуры нагревателя составила 3%.
Процесс кипения исследовался при постепенном увеличении тепловой нагрузки от начального ее значения до величины, соответствующей пережогу тепловыделяющего элемента. В опытах по кипению температура общей массы жидкости поддерживалась при 25 оС. Т.е. мы исследовали процесс ненасыщенного кипения жидкостей.
В качестве рабочих жидкостей были использованы водные растворы гомологического ряда спиртов (этанола, и-бутанола). Выбраны именно эти жидкости, так как при кипении водных растворов спиртов с малой концентрацией
наблюдается более высокая критическая тепловая нагрузка по сравнению с водой [14].
Схема экспериментальной установки для испарения капель и навесок жидкостей представлена в [9]. Нагревательное устройство представляло собой тигель со вставленной в него медной поверхностью нагрева цилиндрической формы. Диаметр основания цилиндра 6 см, высота цилиндра 7 см. Тигель нагревался спиралью, по которой проходил переменный электрический ток. Опыты по испарению капель проводились на поверхности сферического углубления, сделанного на основании медного цилиндра. Температура греющей стенки измерялась медь-константановой термопарой с абсолютной погрешностью 0,5 °С. Время испарения фиксировалось секундомером с точностью 0,1 с. На поверхность нагрева с некоторой установленной температурой наносилась капля определенной массы исследуемой жидкости, которая имела комнатную температуру. Далее секундомером находили время ее полного испарения t. Это время и характеризует возникновение сфероидального состояния для данной жидкости на данной поверхности нагрева. Масса капель определялась как средняя величина из тысячи отсчетов.
Опыты по испарению проводились при постепенном увеличении температуры нагрева металла. При одной и той же температуре греющей поверхности опыт по испарению сфероида проделывался 5-7 раз. Для построения кривых испарения мы брали среднее время испарения жидкости.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ СРАВНЕНИЯ КРИВЫХ ИСПАРЕНИЯ И КРИВЫХ НЕНАСЫЩЕННОГО КИПЕНИЯ ДЛЯ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ
На рис. 1 и 2 представлены результаты экспериментального сравнения кривых испарения с кривыми ненасыщенного кипения для водных смесей 10% этанола и 2% и-бутанола.
Рассмотрим данные опытов, представленные на рис. 1. Рис. 1, а показывает кривую испарения капель 10% этанола на медной поверхности нагрева. Интервал температур, при которых скорость парообразования самая большая, достаточно узок и имеет значения Т=107-132 оС. В этом промежутке температур максимальная скорость испарения приходится на температуру 125 оС и равна 100 мг/с (рис. 1, б). Критическая тепловая нагрузка при ненасыщенном кипении 10% этанола qcr=3600 кВ/м2, она отвечает температуре поверхности нагрева 124 оС (рис. 1, в). Поэтому получается, что максимальная скорость испарения жидкости имеет место при температуре
тепловыделяющей поверхности, отвечающей
критической плотности теплового потока при кипении жидкости. Тем самым мы в наших опытах подтверждаем гидродинамическую теорию кризиса кипения [15], а также выводы работы [16]. Т.е., чем
больше скорость пара, отрывающегося от
поверхности нагрева, тем больше критическая
плотность теплового потока. Температура сфероидального состояния 10% этанола получилась равной Г,=132 оС. Эта температура очень близка к температуре, приходящейся на критическую тепловую нагрузку. Поэтому, можно считать, что кризис кипения наступает из-за того, что наступает сфероидальное состояние жидкости, в котором жидкость не способна смачивать поверхность нагрева и отделяется от нее прослойкой пара, ухудшающей теплоотдачу.
Пузырьковое кипение 10% этанола происходит на отрезке АВ при температурах поверхности нагрева (проволока из нихрома диаметром 150 мкм) Т=106-124 оС (рис. 1, в). Температура основной массы жидкости в течение этого опыта поддерживалась 25 оС. В этом интервале температур скорости парообразования самые большие, поэтому процесс теплоотдачи происходит наиболее интенсивно. В наших опытах по кипению регулировалась тепловая нагрузка, поэтому после достижения критической тепловой нагрузки (точка В) при небольшом увеличении теплового потока скорость парообразования резко падает, теплоотдача резко уменьшается. При этом нагреватель отделяется от жидкости прослойкой пара и резко возрастает температура нагревателя от 124 до 467 оС (от точки В к Б). Наступает пленочное кипение. При дальнейшем увеличении тепловой нагрузки температура нагревателя продолжает возрастать, до тех пор, пока нагреватель не расплавится.
При сопоставлении кривой кипения с кривой испарения можно сделать вывод, что пузырьковое кипение на отрезке АВ происходит при температуре Т=106-124 оС (рис. 1, в) и совпадает с
температурным промежутком, соответствующим минимуму на кривой испарения при Т=107-132 оС (рис. 1, а) и отвечающим очень большим скоростям испарения этой жидкости. Поэтому, чтобы найти температуры поверхности нагрева, при которых поверхность нагрева будет наиболее интенсивно охлаждаться, достаточно получить кривую испарения и найти на ней интервал температур с маленьким временем испарения капель. А самая высокая скорость испарения будет приходиться на температуру поверхности нагрева,
соответствующую критической тепловой нагрузке при кипении этой жидкости. Тем самым мы экспериментально подтвердили гипотезу о том, что минимум на кривой испарения отвечает критической плотности теплового потока при кипении жидкости [9].
Температура Лейдефроста 10% этанола (максимум на кривой испарения рис. 1, а) 7^=235 оС. Эта температура характерна тем, что при ней скорость испарения жидкости минимальна и равна
0,3 мг/с. К примеру, максимальная температура испарения при 120 оС составляет 80 мг/с. Т.е. максимальная скорость испарения при растекании жидкости по поверхности нагрева в 267 раз больше, чем при сфероидальном состоянии жидкости.
Т, оС
Т, оС
Т, оС
Рис. 1. Сравнение процессов испарения и кипения 10% водной смеси этанола. a — кривая испарения капель 10% этанола массой m=40 мг; б — зависимость скорости испарения капель 10% этанола w= m/t от температуры поверхности нагрева. Перестроение данных кривой испарения a в координатах w=f(T); в — кривая ненасыщенного кипения 10% этанола, полученная при регулировании тепловой нагрузки на поверхности нагрева из нихрома диаметром 0,15 мм
Т, оС
Т, оС
Т, оС
Рис. 2. То же самое, что и на рисунке 6, только для 2% водной смеси и-бутанола. Капли имеют массу т=42 мг
Таким образом, в сфероидальном состоянии жидкость полностью отделена от греющей стенки прослойкой пара и поэтому теплоотдача резко уменьшается. Температура предельного перегрева 10% этанола по данным [17] составляет 270 оС. Однако в работе [18] для воды положения максимума кривой испарения соответствовало экспериментальным данным по предельным перегревам, полученным в чистой пузырьковой камере (250 оС), хотя по экспериментальным данным [17] она составила 304 оС. Поэтому можно считать, что наши опытные данные согласуются с выдвинутой в работе [19] идеей о термодинамической природе кризисе кипения при контакте жидкости с горячей поверхностью нагрева. Температура Лейденфроста близка к температуре предельного перегрева жидкости, поэтому поверхность нагрева отделяется от жидкости пленкой пара и жидкость при этом уже не существует у горячей тепловыделяющей поверхности.
Оценим скорость испарения воды и 10% этанола. Так, максимальная скорость испарения воды [19] составляет 72.9 мг/с (рис. 3), а 10% этанола — 100 мг/с (рис. 1, б). Опыты по испарению капель бинарных смесей [9] и определенных объемов жидкостей с поверхностноактивными добавками — спиртами [20] также показали, что скорость испарения бинарных смесей больше, чем чистых компонентов, составляющих данную двойную систему. Причем максимуму скорости испарения соответствует критическая тепловая нагрузка при кипении бинарных смесей жидкостей. Таким образом, предельная тепловая нагрузка qcr при кипении двойных систем, по сравнению с величиной qcr для компонентов [14] больше из-за того, что скорость парообразования в области минимума на кривой испарения выше, чем у чистых жидкостей. Т. е. чем больше скорость парообразования, тем выше величина критической тепловой нагрузки qcr.
Рассмотрим экспериментальные результаты, представленные на рис. 2. Рис. 2, а демонстрирует кривую испарения капель 2% и-бутанола. Интервал температур поверхности нагрева с самыми большими скоростями испарения приходится на 7=111-135 оС. Максимальная скорость испарения в этом интервале температур приходится на 122 оС и равна 66 мг/с (рис. 2, б). Критическая плотность теплового потока при кипении 2% и-бутанола qcr=4105 кВт/м2, ей соответствует температура нагревателя 7=124 оС (рис. 2, в). Температура сфероидального состояния 2% и-бутанола составила 7^=135 °С. В этих опытах температуры, приходящейся на максимальную скорость
парообразования и критическую тепловую
нагрузку, практически совпадают. Поэтому можно считать, что максимальная скорость испарения 2% и-бутанола приходится на критическую тепловую нагрузку при кипении этой жидкости.
Пузырьковое кипение 2% и-бутанола происходило при температурах нагревателя 7=109-124 оС на отрезке АВ (рис. 2, в). Этот интервал
температур соответствует минимуму на кривой испарения при 7=111-135 оС (рис. 2, а) и очень высоким скоростям испарения (рис. 2, б). При увеличении тепловой нагрузки после достижения критической величины qcr=4105 кВт/м2 и Т=124 оС происходит скачкообразное увеличение температуры нагревателя до Т=489 оС и q=56 кВ/м2. Если дальше увеличивать тепловую нагрузку, то температура поверхности нагрева возрастает, и она плавится при Т=507 оС и q=13276 кВт/м2.
Температура Лейдефроста 2% и-бутанола (рис. 2, а) 7Ь=280 оС. При этой температуре скорость испарения жидкости минимальна и равна 0,32 мг/с. Для сравнения максимальная температура испарения 2% и-бутанола при 120 оС составляет 55 мг/с. Т.е. максимальная скорость испарения при растекании жидкости по поверхности нагрева в 172 раз больше, чем при сфероидальном состоянии жидкости. Таким образом, сфероидальное состояние жидкости при ее испарении соответствует пленочному кипению этой жидкости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально доказано что минимум на кривой испарения соответствует максимальной (критической) тепловой нагрузке qcr при ненасыщенном кипении 30% водной смеси этанола и 3% водной смеси и-бутанола. Можно предложить простой метод определения температуры поверхности нагрева, при которой наступает кризис теплообмена при кипении жидкости, соответствующей максимальной скорости
испарения. Он состоит в определении минимума на кривой испарения капель жидкости. Этот минимум соответствует максимальной скорости испарения этой жидкости.
Пузырьковое кипение жидкостей
соответствует самым большим скоростям испарения жидкости. В этом режиме жидкость не находится в сфероидальном состоянии, а растекается по поверхности нагрева, смачивает ее. Переходное кипение жидкостей приходится на начало сфероидального состояния жидкости. В этом случае жидкость периодически контактирует с греющей стенкой, скорость испарения понижается с ростом температуры. Пленочное кипение жидкостей соответствует сфероидальному состоянию жидкости, когда тепловыделяющая поверхность полностью отделена от поверхности нагрева пленкой пара и жидкость не смачивает поверхность нагрева, т.к. греющая стенка находится выше температуры предельного перегрева жидкости. В этом режиме кипения скорость парообразования самая маленькая.
Литература
1. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.
2. Боришанский В.М. Теплоотдача к жидкости, свободно растекающейся по поверхности, нагретой выше температуры кипения / Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. М.-Л., 1953. С. 118-155.
3. Плетнева Н.А., Ребиндер П.А. Закономерности испарения капель жидкостей в сфероидальном состоянии // Журнал физической химии. 1946. Т. 20. Вып. 9. С. 961— 972.
4. Зайцев Д.В., Родионов Д.А., Кабов О.К. Критический тепловой поток в локально нагреваемой пленке жидкости, движущейся под действием потока газа в мини-канале // Письма в ЖТФ. 2009. Т.35. Вып. 14. С. 88-94.
5. Leidenfrost J.G. A tract about some qualities of common water // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1966. Vol. 9. Pp. 1153-1160.
6. Кружилин Г.Н., Лыков Е.В. Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. Вып.
2. С. 16-19.
7. Кутателадзе С. С., Накоряков В.Е. Тепломассобмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984. 301 с.
8. Плетнева Н.А., Ребиндер П.А. Влияние поверхностно-активных веществ на испарение капель воды в сфероидальном состоянии // Журнал физической химии. 1946. Т. 20. Вып. 9. С. 973-979.
9. Анохина Е. В. Особенности кризиса кипения бинарных смесей жидкостей. Дисс. ... канд. техн. наук. Воронеж: ВГТУ, 1999. 173 с.
10. Романов В.В. Исследование критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Воронеж: ВГТУ, 2006. 14 с.
11. Кутателадзе С. С. Теплоотдача при конденсации и кипении. М.: Машгиз, 1952. 232 с.
Донской государственный технический университет
12. Анохина Е.В. Исследование процессов испарения и кипения жидкостей. // Журнал технической физики. 2010. № 8. С. 32-37.
13. Анохина Е. В. Кривая ненасыщенного кипения жидкости // Инженерная физика. 2009. №5. С.12-19.
14. Анохина Е. В. Экспериментальное
исследование критической тепловой нагрузки при кипении бинарных смесей жидкостей // Журнал технической физики. 2009. Т. 79. Вып. 4. С. 153-155.
15. Кутателадзе С. С. Гидродинамическая теория изменения в режиме кипения жидкости при свободной конвекции // Изв. АН СССР. ОТН. 1951. № 4. С. 529-536.
16. Анохина Е. В. Критическая тепловая нагрузка при насыщенном кипении жидкостей // Инженернофизический журнал. 2008. Т.81. №2. С. 59-63.
17. Виноградов В.Е., Павлов П.А. Импульсный перегрев растворов этилового спирта с водой при отрицательных давлениях // Тр. РНКТ-2. Москва, МЭИ. 1998. С.60-63.
18. Скрипов В.П., Виноградов А. В., Скоков В. Н., Коверда В. П. Капля на горячей плите: появление 1// шума при переходе к сфероидальной форме // Журнал технической физики. 2003. Т 73. Вып. 6. С. 21-23.
19. Скрипов В. П. Кризис кипения как термодинамический кризис // Труды УПИ. Физика. Свердловск, 1962. Вып. 123. С. 50-57.
20. Ахметов Т.Р. Влияние поверхностно-активных веществ на процесс парообразования при пузырьковом кипении воды. Дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2005. 99 с.
THE DETERMINATION OF THE UNSATURATED BOILING CRISIS TEMPERATURE E.V. Anokhina
The minimum of evaporation curve of the water 10% water mixtures of ethanol, 2% water mixtures of «-butanol corresponds to the critical heat load qcr during unsaturated boiling of liquids. The method of the determination of the unsaturated boiling crisis temperature is proposed on the base of this experimental fact. Liquid drops evaporation regimes is conforming to the regimes of unsaturated boiling of this liquid
Key words: boiling, boiling crisis, boiling of binary liquid mixtures, evaporation of the liquids
CВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Анохина Елена Викторовна.
Адрес для переписки 344023 г. Ростов-на-Дону, ул. Маяковского, 59 тел.(863)293-95-86, моб. тел. 8918-592-50-14, e-mail: anohina@donpac.ru
Место работы: доцент кафедры «Теплоэнергетика и прикладная гидромеханика» ИЭМ Донского государственного технического университета.
Адрес организации: 344000 пл. Гагарина,1. Донской государственный технический
университет
Канд. техн. наук. Диплом № КТ 019367по решению дис. совета Воронежского государственного технического университета от 22.12.1999 г. Выд. Москва 14 апреля 2000 г.
