CC BY
112
УДК 536.248.2.001.24
АКУСТИЧЕСКИИ СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КРИЗИСА КИПЕНИЯ ЖИДКОСТЕИ Е.В. Лыков, В.В. Романов
В работе приведены экспериментальные кривые акустической эмиссии при кипении бинарных смесей жидкостей Ключевые слова: кривая кипения, акустическая эмиссия
Надежность и безопасность работы ядерных энергоблоков АЭС кипящего и некипящего типов зависит от характера процесса теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ). Например, для ядерного реактора некипящего типа наибольшую опасность представляет режим пленочного кипения, которому предшествует область смены режима кипения от развитого пузырькового к пленочному кипению [1].
Интервал температур переходного кипения очень маленький. Эта область температур хорошо видна, если перевести уже известную кривую кипения для воды, полученную авторами [2] из логарифмических координат в нормальные хорошо читаемые координаты. На рис. 1 представлена переведенная нами кривая кипения воды.
Рис. 1 - Зависимость плотности теплового потока д от температурного напора Тст-Тж в насыщенной воде
Если регулировать величину плотности теплового потока например, электрическим способом, то развитие кризисных явлений на нагретой поверхности происходит мгновенно (скачком) от точки В соответствующей критической плотности теплового потока дкр до точки С (пленочное кипение).
Лыков Евгений Васильевич - ДГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (863) 262-63-24
Романов Виктор Викторович - канд. техн. наук, доцент, victor_rom27@mail.ru
Механизму возникновения кризиса кипения уделено множество работ, некоторые из них считаются фундаментальными в области кипения [3, 4, 5]. Например, в основу
гидродинамической модели предложенной в работе [3] положен эффект вытеснения жидкости из двухфазного пристенного слоя потоком пара, генерируемого на обогреваемой поверхности. Правда такой модельный подход не объясняет того экспериментального факта [6], согласно которому значение дкр при кипении в большом объеме может превышать величину этого параметра в условиях вынужденного движения теплоносителя с малыми скоростями. Близкая к этой модели представлена модель авторов [5] в своей работе они предложили наиболее правильный вывод формулы определяющей величину
критического теплового потока. Связь кризиса теплоотдачи с потерей термодинамической устойчивости двухфазного пристеночного слоя при достижении превышения величиной критического перегрева жидкости температуры ее метастабильного состояния представлена в термодинамической модели [7].
По имеющимся у нас экспериментальным данным смена пузырькового кипения на пленочный сопровождается перестройкой акустических шумов. При анализе физических условий кризиса теплообмена особый интерес представляют мгновенные и текущие акустические спектры. В работе [8] показано, что звуковой импульс возникает исключительно при внезапном росте пузырька в перегретой жидкости. Исходя из теории Релея амплитудное значение давления в импульсе определяется по следующей формуле
ДР = р/г 6/па 2 кАГ/Хр 4 Р-Ро/2а (1) Зависимость величины звукового импульса А Р от времени t представляется
колоколообразной кривой
АР ґ = ехр -р2ґ2
(2)
где (3-параметр, зависящий от свойств системы.
Используя соотношения между спектром отдельного импульса и спектром
последовательности таких импульсов, рассмотренные в частности [9] делаем следующее заключение, спектр колокольного импульса имеет вид
^ = ->/7/13 - ехр(—со2/4(32) (3)
кривая, огибающая спектр с увеличением
параметра СС)/(Зне имеет резонанса и быстро
обрывается. Реальность колоколообразного импульса подтверждают экспериментальные данные Эллиона, хорошо описанные Зубром [10]. Как оказалось, рост парового пузырька при кипении воды происходит значительно быстрее, чем дальнейшее его смыкание.
Для изучения теплоотдачи от нагревающей поверхности к жидкости в режиме кипения часто используют тонкую проволоку, подогреваемую постоянным электрическим током. В таком случае кипящая жидкость является источником довольно сильного звука. Используя установку схема, которой приведена в работе [8] мы провели исследования акустической эммисии процесса кипения, а именно влияние величины плотности теплового потока q на величину уровня акустического
давления Рак. На рис. 2 представлены экспериментальные кривые зависимости Рак (д) при кипении воды (кривая 1), раствора вода-п-пропанол (20% по весу ) (кривая 2).
Р , мВ
ак’
16
12
і
/ /вГ ——о С1
/ ^°с
1 2
к
0 4 8 12 16 q, МВт/м2
Рис. 2. Интегральные уровни акустического давления Рак в относительных единицах как функции удельного теплового потока д в двух жидкостях:
1- п-пропанол (20% по весу) - вода;
2-дистиллированная вода
Кривые начинаются в точках А1 и А, которые соответствуют началу кипения жидкостей. Акустические давления растут и в точках В1 и В достигают максимума. Эта точка «акустического кризиса» кипения [8], в 110
указанных координатах, поскольку дальше с ростом удельного теплового потока акустические уровни уменьшаются и кривые заканчиваются в точках С и С, которые соответствуют предельным, критическим удельным тепловым потокам при пузырьковом кипении.
Таким образом «акустический кризис кипения» всегда предшествует «тепловому кризису кипения- qкр» и в этом проявляется существенное свойство первого. В водноспиртовых смесях акустические кривые проходят выше акустической кривой воды при малых концентрациях спирта (см. рис.2). На рис. 2 представлены интегральные кривые процесса кипения жидкостей, акустическое давление регистрировалось с помощью прибора В3-5. Полученные кривые снимались в данной серии опытов при сохранении температуры ядра жидкости 24оС в пределах 3-5оС. в течении одного опыта. Нагревателем служила нихромовая проволока диаметром 70 мкм, длиной 2 см, сосуд с экспериментальной жидкостью объемом 150 мл, длительность каждого опыта 7-10 секунд. Акустическим датчиком являлся сферический гидрофон диаметром 1 см. сделанный из пьезокерамики ЦТС чувствительностью 6 мкв/бар. Гидрофон помещался на расстояние 6 см от греющей проволоки по перпендикуляру к ней. Акустический спектр излучаемого звука определялся спектрометрами типа СЗЧ и СУЧ. Текущие спектры раскрывают важное свойство акустического кризиса кипения, а именно внезапное изменение спектра в определенный момент вблизи точек В (см. рис 2) при продолжающемся росте удельного теплового потока q. При приближении к точки начала кризиса кипения происходит частотный сдвиг спектра. При этом сдвиг максимальной частоты очень значителен и составляет не менее 190 кГц (от 12,9 до 206 кГц), при этом внезапно возрастает высокочастотные составляющие соответствующие первоначальному моменту вскипания.
Таким образом, акустический способ диагностики поверхностного кипения жидкости позволяет обнаружить возникновение кризиса теплоотдачи и не допустить резкой смены режима кипения, что может привести к разрушению тепловыделяющего элемента
Литература
1. Самойлов О.Б., Усынин Г.Б., Бахметьев А.М., Безопасность ядерных энергетических установок.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-279 с.
2.Петерсен В.К., Залук М.Ж. Получение кривой кипения при регулировании процесса теплоотдачи.// Тр. Американского об-ва.-1971.-№4.- С.90-94
3.Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат.- 1979. С.306
4.Ягов В.В. Теплообмен при развитом кипении жидкостей. //Теплоэнергетика.-1988.- №2.- С.4-9
5.Кружилин Г.Н., Лыков Е.В. Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме.// Жур. Тех. Физ.- 2000.- т.70.-№2. С.16-19.
6. Смогаев И.П. Расчеткритических тепловх потоков при течении недогретой воды с малыми скоростями //
Т еплоэнергетика .-1981.-№4.-С.14-17.
7. Скрипов В.П. Кризис кипения как термодинамический кризис //Тр.Урал.политехн. ин-та.-1962, вып.123.-С.50-57.
8.Lykov E.V.// International Journal of Heat and Mass Transfer. 1972.Vol.15.P.1603-1614.
9.Харкевич А.А. Спектры и анализ. Изд. 4-е. М.: Физматгиз, 1962. 236 с.
10. Zuber N. Hydrodynamic aspects of boiling heat transfer // AECU-4439. Ph. D. Thesis, Univ. of California, Los Angeles, 1959. P. 1-196.
Донской государственный технический университет
ACOUSTIC WAY OF DIAGNOSTICS OF CRISIS OF BOILING OF LIQUIDS Е/V Lykov, V.V Romanov
In work experimental curves of acoustic issue are resulted at boiling binary mixes of liquids Key words: a curve of boiling, acoustic issue
