CC BY
68
УДК 536.4.033
ДИНАМИКА ВЗРЫВНОГО КИПЕНИЯ ВОДЫ
ПРИ СВЕРХВЫСОКИХ СКОРОСТЯХ РОСТА ТЕМПЕРАТУРЫ
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: kozulin@itp.nsc.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Владимир Иванович Орешкин
Институт сильноточной электроники СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 2/3, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (3822)49-29-88, e-mail: oreshkin@ovpe.hcei.tsc.ru
Исследована динамика пузырькового распада воды на микронагревателе с использованием оригинального оптического метода, основанного на измерении интенсивности лазерного излучения, диффузно отраженного от области фазового перехода. Для скорости роста температуры больше 250 МК/с, получено значительное изменение характеристик взрывного фазового перехода, вызванное превышением количества тепла, подводимого к поверхности нагревателя, по сравнению с затратами тепла на образование новой фазы.
Ключевые слова: взрывное вскипание, метастабильная жидкость, МЭМС, микронагреватель.
DYNAMIC OF EXPLOSIVE EVAPORATION OF WATER DURING SUPERHIGH SPEED OF TEMPERATURE GROWTH RATE
Igor A. Kozulin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (923)182-08-97, e-mail: kozulin@itp.nsc.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Division, phone: (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Vladimir I. Oreshkin
Institute of High Current Electronics SB RAS, 2/3, Prospect Akademichesky St., Tomsk, 634055, Russia, D. Sc., Leading Researcher, phone: (3822)49-29-88, e-mail: oreshkin@ovpe.hcei.tsc.ru
In the paper has been investigated the dynamics of explosive vaporization of water on a microheater using an original optical method based on measuring of the intensity of laser beam reflected from resistor surface. A significant change in the characteristics of the explosive phase transition is obtained for the temperature growth rate more than 250 MK/s, caused by excess amount of heat supplied to the heater surface, as compared with the heat spending for formation of a new phase.
Key words: explosive boiling, metastable liquid, MEMS systems, microheater.
В последнее время в различных областях техники применяются микроэлектромеханические системы (МЭМС системы) с размером рабочих элементов меньше 100 микрон. Принцип работы таких МЭМС систем может осуществляться на управляемом распаде метастабильной жидкости [1]. Перспективным направлением является применение наножидкостей в МЭМС системах, что может быть использовано для контроля температуры взрывного вскипания жидкости.
Целью данной работы является исследование взрывного кипения воды с добавками наночастиц диоксида кремния на плоском микронагревателе. На начальном этапе работ использована вода без добавок наночастиц, как базовая жидкость. Для исследования взрывного кипения воды применен оптический метод, основанный на измерении интенсивности лазерного излучения, диффуз-но отражённого от поверхности микронагревателя [2, 3]. Схема установки показана на рис. 2. Нагревателем для исследования взрывного кипения микрообъема жидкости являлся многослойный тонко-плёночный резистор 100х110 мкм, изготовленный по технологии Hewlett Packard [4]. Электрическое сопротивление микронагревателя составляло 57.4 Ом.
Рис. 2. Схема установки для исследования взрывного кипения на микронагревателе
Для проведения экспериментов микрочип с микронагревателями (1) погружался в камеру (2) с деионизированной водой без добавления наночастиц диоксида кремния. Эксперименты проведены при комнатной температуре, начальная температура жидкости менялась в диапазоне от 19 до 23 0С. Для нагрева микронагревателя (1) с генератора подавались одиночные прямоугольные импульсы тока. Для регистрации зародышеобразования при вски-
пании, использована оптическая методика, которая заключалась в измерении интенсивности лазерного излучения (3), отражённого от поверхности микронагревателя (1). Свет, после отражения от поверхности микронагревателя, попадал в объектив микроскопа (4), с помощью диафрагмы (5) отраженный свет собирался только с поверхности того микронагревателя, на который подавался нагревательный импульс. Интенсивность лазерного излучения измерялась фотодиодом (6).
Схема оптического метода приведена на рис. 2, а. При появлении на поверхности микропузырьков происходит рассеяние света, и наблюдается уменьшение интегрального коэффициента отражения. Это позволило применить данный метод для исследования динамики заполнения поверхности микронагревателя паровыми пузырьками. В экспериментах была проведена визуализация процесса вскипания воды, на рис. 2, б приведена фотография поверхности нагревателя при вскипании воды спустя 4.5 мкс после начала нагрева.
С ростом температуры на микронагревателе появляются микропузырьки, неравномерно распределенные по поверхности, их число мало, но с ростом температуры их число экспоненциально растет. На заключительной стадии пузырькового распада поверхность микронагревателя покрыта паром.
Микронагреватель 100х110 мкм
а)
б)
Рис. 2: а) Схема оптического метода; б) фотография пузырькового распада воды при плотности теплового потока
дей- = 539.7 МВт/м2
Динамика взрывного вскипания воды для различной скорости роста температуры на микронагревателе 100х110 мкм представлена на рис. 3. На рис. 3, а тонкой линией представлен импульс с генератора, нормированный на единицу. Темной линией представлена зависимость интенсивности отраженного света от микронагревателя в зависимости от времени при взрывном вскипании воды для приведенной плотность тепловыделения = 330.33 МВт/м , скорости роста температуры ёТ/ё = 19.98 МК/с и длительность нагревающего импульса 1имп = 9.118 мкс. Сигнал с фотодиода нормирован таким образом, чтобы время начало сигнала с фотодиода начиналось с единицы и совпадало
со временем подачи нагревающего импульса с генератора. На рис. 3, б представлена зависимость интенсивности отраженного света от микронагревателя в зависимости от времени при взрывном вскипании воды для приведенной плотность тепловыделения qeff=1318.63 МВт/м , скорости роста температуры dT/dt=158.72 МК/с и длительность нагревающего импульса ^мп=1.802 мкс. На рис. 3, в тонкой линией представлен импульс с генератора, нормированный на единицу. С ростом теплового потока фронт вскипания жидкости становится более резким, что может указывать о смене механизма вскипания жидкости. На рис. 3, в представлена зависимость интенсивности отраженного света в зависимости от времени при взрывном вскипании воды для приведенной плотность тепловыделения qeff=2436.49 МВт/м , скорости роста температуры dT/dt=341.81 МК/с и длительность нагревающего импульса ^мп=1.084 мкс.
Расчет теплового потока, скорость роста температуры жидкости, температура вскипания осуществлялся при численном решении уравнения теплопроводности для многослойного микронагревателя. Выделены основные стадии вскипания воды: стадия пузырькового распада, стадия пребывания основного парового пузыря, и стадия образования пузыря-сателлита, образующегося после схлопывания основного парового пузыря. Все стадии представлены на рис. 3.
- Импульс нагревателя ■Сигнал с фотодиода
Импульс нагревателя Сигнал с фотодиода
Рис. 3. Зависимость интенсивности отраженного света от времени для различных времен нагрева при вскипании воды:
а) qeff= 330.33 МВт/м2, dT/dt = 19.98 МК/с, ^п = 9.118 мкс; б) qeff = 1318.63 МВт/м2, dT/dt = 158.72 МК/с, ^п = 1.802 мкс; в) qeff = 2439.49 МВт/м2, dT/dt = 341.81 МК/с, ^мп = 1.084 мкс
Определена зависимость температуры начала вскипания воды без добавления наночастиц кремния от скорости роста температуры на микронагревателе, рис. 4. На рисунке пунктирной линией приведена зависимость [5]: Тнт/Тсг=0.905+0.095.(Т§ауТсг)8 для предельной температуры перегрева жидкости, сплошной линией показана линия спинодали [6].
ПО О (1)
t
о oo о
и
о о (2)
тз- "с? tl
(3)
Вода о 100x110 мкм Тит (Скрипов) TSp (Синицын)
0
400
Рис. 4. Температуры начала пузырькового распада воды в зависимости от скорости роста температуры жидкости перед началом распада
Полученные данные показывают высокую эффективность применения оптического метода для исследования динамики взрывного кипения воды на микронагревателе. С использованием этого метода получены температура начала пузырькового распада жидкости, время жизни основного парового пузыря и пузыря-сателлита. Дальнейшим направлением исследований является получение характеристик пузырькового распада воды с добавками наночастиц диоксида кремния.
Исследование выполнено за счет средств КПФИ СО РАН Междисциплинарные интеграционные исследования, проект 5.3.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Zhao Z., Glod S. and Poulikakos D. Pressure and Power Generation during Explosive Vaporization on a Thin-Film Microheater // Int. J. Heat Mass Transfer. - 2000. - Vol. 43. - P. 281-296.
2. Hong J., Ashgriz N. and Andrews J. Experimental study of bubble dynamics on a micro heater induced by pulse heating // J. Heat Transfer. - 2004. - Vol. 126 (2). - P. 259-271.
3. Kuznetsov V. V., Kozulin I. A. Explosive vaporization of a water layer on a flat microheater // Journal of Engineering Thermophysics. - 2010. - V.19, (2). - P. 102-109.
4. Bhaskar E. V. and Aden J. S. Development of the thin-film structure for the ThinkJet printhead // Hewlett-Packard Journal. - 1985. - Vol. 36. - N5. - P. 27-33.
5. Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. - М.: Наука, - 1972. - 312 с.
6. Skripov P. V., Skripov A. P. The phenomenon of superheat of liquids: in memory of Vladimir P. Skripov // Int. J. Thermophys. - 2010. - Vol. 31 (4-5). - P. 816-830.
REFERENCES
1. Zhao, Z., Glod, S. & Poulikakos, D. (2000). Pressure and Power Generation during Explosive Vaporization on a Thin-Film Microheater. International Journal of Heat and Mass Transfer. 43 (2), 281-296.
2. Hong, J., Ashgriz, N. & Andrews, J. (2004). Experimental study of bubble dynamics on a micro heater induced by pulse heating. Journal of heat transfer. 126 (2), 259-271.
3. Kuznetsov, V. V., & Kozulin, I. A. (2010). Explosive vaporization of a water layer on a flat microheater. Journal of Engineering Thermophysics. 19 (2), 102-109.
4. Bhaskar, E. V. & Aden, J. S. (1985). Development of the thin-film structure for the ThinkJet printhead. Hewlett-Packard Journal. 36 (5), 27-33.
5. Skripov, V P. (1974). Metastable liquids. John Wiley & Sons.
6. Skripov, P. V. & Skripov, A. P. (2010). The phenomenon of superheat of liquids: in memory of Vladimir P. Skripov. International Journal of Thermophysics. 31 (4-5), 816-830.
© И. А. Козулин, В. В. Кузнецов, В. И. Орешкин, 2018
