CC BY
69
УДК 539.216.2, 621.317.799
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВОЛНОВОГО ПЛЕНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОГО АЗОТА ПО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЕ ПРИ ИНТЕНСИВНОМ ИСПАРЕНИИ
Александр Дмитриевич Назаров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Анатолий Федорович Серов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Александр Николаевич Павленко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, чл.-корр. РАН, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, тел. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Валерий Николаевич Мамонов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: mamonovvn@mail.ru
Олег Александрович Володин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, инженер, тел. (383)330-87-00, e-mail: volodin@ngs.ru
В статье описан разработанный многоканальный емкостный измеритель локальной толщины пленки жидкости, применение его в экспериментах по исследованию волновых характеристик пленки жидкого азота, стекающей по вертикальной пластине с локальным нагревателем, приведены результаты измерений профиля пленки, условия возникновения кризиса теплообмена в зависимости от степени орошения.
Ключевые слова: эксперимент, емкостный метод, локальная толщина пленки жидкости, амплитуда волн, скорость волн.
EXPERIMENTAL STUDY OF DYNAMICS OF WAVE FILM FLOW OF LIQUID NITROGEN OVER A VERTICAL PLATE WITH INTENSE EVAPORATION
Alexandr D. Nazarov
Institute of Thermophysics, Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Lavrentyev pr., Ph. D., tel. (383)330-64-66, e-mail: nazarov@itp.nsc.ru
Anatoly F. Serov
Institute of Thermophysics, Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Lavrentyev pr., Ph. D., tel. (383)330-64-66, e-mail: serov@itp.nsc.ru
Alexandr N. Pavlenko
Institute of Thermophysics, Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Lavrentyev pr., Ph. D., tel. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Valery N. Mamonov
Institute of Thermophysics, Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Lavrentyev pr., Ph. D., tel. (383)330-64-66, e-mail: mamonovvn@mail.ru
Oleg A. Volodin
Institute of Thermophysics, Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Lavrentyev pr., Ph. D., tel. (383)330-87-00, e-mail: voludin@ngs.ru
This article describes multi-channel capacitive measuring of a local thickness of the liquid film. Its use in the research a wave characteristics of the film of liquid nitrogen flowing on the vertical plate with local heater. The article presents the results of measurements of the profile of the film and the occurrence of crisis condition in dependence from liquid irrigation density.
Key words: experiment, capacitive method, the local thickness of the liquid film, the amplitude of the waves, the wave velocity.
Введение
Для более полного понимания механизма теплообмена и кризисных явлений при теплоотдаче к пленке необходимо систематическое экспериментальное изучение динамики поведения пленки жидкости на нагревателе, что важно для повышения эффективности современных тепломассообменных промышленных аппаратов.
При исследовании пленочных течений используются разнообразные методики измерения [1 - 3]. Многие из этих методов в настоящее время продолжаются совершенствоваться экспериментаторами. К методам, чаще всего используемым на сегодняшний день следует отнести: метод электропроводности [4, 5], волоконно-оптический [6, 7], флуоресцентный [8, 9] и емкостный [10, 11].
Течение пленочного потока по нагретой поверхности характеризуется некоторыми особенностями по сравнению с течением неизотермической пленки. Так, при увеличении теплового потока нагревателя, уменьшается средняя толщина пленки. При достижении величины теплового потока, близкого к критическому, толщина пленки может уменьшиться до единиц микрон, и даже жидкость может полностью испариться. В результате на поверхности теплообменника образуются участки свободные от пленки жидкости - «сухие» пятна. В зависимости от теплового потока, физических свойств и расхода жидкости данные локальные «сухие» пятна могут периодически замываться жидкостью, они называются «неустойчивые сухие пятна» или на этих участках ус-
тойчиво не наблюдается жидкость - эти участки носят название «устойчивые сухие пятна».
Измерение неизотермической пленки жидкости требует от метода и аппаратуры способности регистрировать локальную толщину пленки в широком диапазоне толщин (от нулевой толщины до сотен микрон) со скоростью, позволяющей регистрировать быстропротекающие процессы испарения пленки и волновые образования на ее поверхности.
Наличие нагревателя на рабочей поверхности участка делает невозможным применение методов, где используются зонды, подводимые через стенку участка, следовательно, измерения нужно проводить со стороны свободной поверхности пленки.
В данной работе для измерения толщины неизотермической пленки жидкого азота и регистрации кризиса теплообмена при возникновении сухих пятен был применен емкостный метод. Показаны особенности применения емкостного метода в экспериментах и результаты измерений.
Емкостный регистратор толщины пленки жидкости
В экспериментах использовался емкостный толщиномер с числом каналов от 4 до 8. Каждый канал измерителя содержит коаксиальный емкостный зонд, аппаратуру управления, регистрации и архивации измеренных данных (рис. 1). Изменение емкости под действием толщины пленки преобразуется в переменный электрический сигнал, частота которого фиксируется аппаратурой измерения с периодом 1 мс одновременно по всем каналам. Длительность цикла измерения может достигать нескольких минут (подробное описание содержится в
Рис. 1. Схема измерения толщины пленки емкостным регистратором:
1 - пластина с пленкой жидкости; 2 - емкостный зонд; 3, 4 - первичный и вторичный
преобразователи; 5 - компьютер
Емкостный коаксиальный зонд был направлен выступающим за пределы экрана центральным электродом перпендикулярно к плоскости рабочего участка со стороны стекающей пленки жидкости [10]. Диаметр центрального электрода О1 = 0.5 мм, отступ экрана относительно торца центрального электрода Ь = 2 мм, внутренний и внешний диаметры экрана 02 = 0.8 мм и 03 = 1 мм, соответственно. Между центральным электродом и экраном находится фторопластовый изолятор с диэлектрической проницаемостью 8=3.7.
[10, 11]).
1 2 3 4 5
Полезное изменение емкости от толщины пленки жидкости сосредоточено между торцевой частью выступающего центрального электрода и рабочей поверхностью экспериментального участка. Такой конденсатор можно рассматривать как две последовательно соединенные емкости. Величина емкости мо-
где С - емкость пленки жидкости; С2 - емкость воздушного зазора; 5 - площадь центрального электрода зонда; е0, ег, еж - диэлектрические проницаемости вакуума, жидкости, газа соответсвенно; В - расстояние между электродом и пластиной; И - толщина пленки.
Так как диэлектрическая проницаемость жидкости отличается от диэлектрической проницаемости газа, емкость конденсатора зависит от соотношения толщины пленки и газа. Зависимость толщины пленки в плоском конденсаторе от диэлектрической проницаемости выражается формулой:
По проведенным калибровочным экспериментам установлено, что погрешность измерений локальной толщины пленки жидкого азота не превышает 3 %.
Неоднородность электрического поля на краях плоского конденсатора (краевые эффекты конденсатора) влияет на пространственную зону чувствительности емкостного зонда В которая превышает физический диаметр центрального электрода В [11] приведены расчетные и экспериментальные данные распределения напряженности электрического поля емкостных зондов разной конструкции. По этим данным видно, что реальная пространственная зона чувствительности зондов В используемых в данной работе, не превышает 1 мм.
Экспериментальный участок
Экспериментальный участок для исследования интенсивно испаряющейся волновой пленки жидкого азота в неабатических условиях показан на рис. 2. В нижней части вертикальной пластины (250 мм х 75 мм), по которой течет пленка жидкого азота, расположен нагреватель. Четыре емкостных датчика были установлены над тепловыделяющей поверхностью (рис. 2б). Три датчика установлены последовательно по потоку друг за другом: первый на 15 мм от верхней кромки нагревателя, второй и третий следом через 4 и 3 мм, соответственно. Четвертый датчик расположен на одной горизонтальной линии левее первого верхнего датчика на расстоянии 3.5 мм от него.
Одновременная регистрация в реальном времени от сенсоров позволяет получить опытные данные для волновых характеристик пленочного течения,
С----
с1+с2 Егн+еж{р-ну
дельного датчика определяется из выражения:
С йк '
1 йС 1
исследовать динамику изменения локальной толщины интенсивно испаряющейся пленки жидкости и развития «сухих» пятен на поверхности.
Участок (рис. 2, а) помещается в криостат с температурой равной, кипению жидкого азота (-195.8 0С). При криогенной температуре элементы аппаратуры работают в критическом режиме. В первую очередь это касается активных полупроводниковых приборов. Это приводит к тому, что амплитуда выходного сигнала первичных емкостных датчиков при температуре криостата уменьшается в разы по сравнению с амплитудой при комнатной температуре. Как следствие, это сказывается на уменьшении соотношения сигналов сигнал/шум.
- __ 3.5 тт Зшт
6) - "
Рис. 2. Экспериментальный участок для исследования испаряющейся пленки азота:
а - схема экспериментального участка: 1 - рабочая дюралюминиевая пластина, 2 - медный проводник тепла, 3 - резистивные нагреватели, 4 - изолятор тепла,
5 - защитная стеклотекстолитовая крышка, 6 - прижимные пластины, 7 - терморезисторы, 8 - плата микрозондов, 9 - четыре емкостных микрозонда, 10- пленка жидкого азота, 11 - тепловыделяющая поверхность, 12 - подвижная планка с уровнемерами, 13 - распределительная щель; б - вид нагревателя спереди
Собственная частота генерации измерительных и опорных генераторов повышается от 30 МГц (настройка при комнатной температуре) до 40 - 50 МГц при криогенной температуре. Следовательно, при доработке аппаратуры необходимо выполнить комплекс мероприятий, предусматривающий увеличение запаса по усилению сигнала первичного датчика с одновременным уменьшением влияния помех на полезный сигнал, и позволяющий увеличить диапазон работы регулирующих элементов для подстройки частоты генерации опорного и измерительного генераторов на требуемое соотношение частоты между ними.
Результаты и их обсуждение
Исследования гравитационного пленочного течения жидкого азота проводились для чисел Рейнольдса Яв = 30 - 110, что соответствует ламинарно-волновому режиму течения. Исследовалось влияние теплового потока на волновые параметры пленки, на условия возникновения кризисных явлений, сопровождающихся образованием «сухих» пятен на рабочей поверхности в различных точках тепловыделяющей поверхности вдоль по течению пленки.
На рис. 3 приведены профили локальной толщины пленки жидкости в точке на расстоянии 22 мм от начала тепловыделения для адиабатического случая и при подводе тепла к нагревателю. Из рисунка видно, что увеличение плотно-
3 2
сти теплового потока до д = 2.4 • 10 Вт/м приводит к незначительному уменьшению локального числа Рейнольдса Явлок от 38 до 31, однако это не вызывает существенного изменения профиля локальной толщины пленки жидкости. При
3 2
тепловом потоке д = 3.9 • 10 Вт/м наблюдается тенденция к возникновению «сухих» пятен за счет интенсивного испарения жидкости в остаточном слое между крупными волнами, при этом заметно изменяется частота волн. При зна-
3 2 3 2
чениях теплового потока д = 6.7 • 10 Вт/м и д = 8.2 • 10 Вт/м регистрируются «сухие» пятна. Величина локального числа Рейнольдса при максимальном тепловом потоке уменьшается более чем в 2.5 раза в сравнении с адиабатическим случаем.
О 400 800 1200 1600 2000
3
"СЮ , с
Рис. 3. Зависимость мгновенной толщины пленки от времени при различных плотностях теплового потока. Re=38; профили локальной толщины пленки на расстоянии 22 мм от начала поверхности тепловыделения
На рис. 4 показана зависимость плотности вероятности толщины пленки жидкости при различных значениях плотности теплового потока.
0.12
0.08 —
о о.
0.04 —
0.00
50
3106, м
1 - Я= 0
2 - Я= 0 4 2 14*10 Вт/м
3 - Я= 0 42 238*10 Вт/м
4 - я= 0 42 292*10 Вт/м
5 - я= 0 42 39*10 Вт/м -
6 - я= 0 42 54*10 Вт/м
7 - я= 0 42 67*10 Вт/м
8 - я= 0 42 816*104 Вт/м _
80
90
100
Рис. 4. Зависимость плотности вероятности толщины пленки жидкости при различных плотностях теплового потока. Яе=38. Расстояние от начала
поверхности тепловыделения 22 мм
2
Для кривых (1 - 4) вероятность нулевой толщины пленки, т.е. появления «сухих» пятен, равна нулю. Характер кривой 5 показывает, что значение плот-
4 2
ности теплового потока q = 0.39 • 10 Вт/м является пороговым, при превышении которого начинается возникновение «сухих» пятен. Это видно по характеру кривых 6, 7 и 8 для которых конечные значения вероятности с нулевой толщиной, указывают на появление «сухих» пятен.
4 2
При тепловых потоках до q = 0.816 • 10 Вт/м в экспериментах наблюдаются возникающие на короткий промежуток времени и «замываемые» набегающим потоком «сухие» пятна. Дальнейшее увеличение плотности теплового потока приводит к появлению устойчивых «сухих» пятен, а затем и к полному отторжению жидкости от теплоотдающей стенки рабочего участка при развитии осушения. Заключение
Работа измерительного прибора при криогенной температуре требует выполнить комплекс мероприятий, предусматривающий увеличение запаса по усилению сигнала первичного датчика с одновременным уменьшением влияния помех на полезный сигнал, и позволяющий увеличить диапазон работы регулирующих элементов для подстройки частоты генерации опорного и измерительного генераторов на требуемое соотношение частоты между ними.
В ходе опытов были получены зависимости изменения профиля пленки жидкости, амплитуды и частоты волн на ее поверхности от величины теплового потока.
4 2
При тепловом потоке до q = 0,39 • 10 Вт/м профиль пленки и частотные свойства крупных волн на ее поверхности существенно не изменяются. При повышении величины теплового потока начинают появляться на короткий промежуток времени «сухие» пятна, возникающие между крупными волнами за счет интенсивного испарения жидкости в остаточном слое. Рост величины теплового потока увеличивает продолжительность «жизни» сухих пятен, а, затем, приводит и к полному отторжению жидкости от теплоотдающей поверхности при развитии осушения.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного Фонда (проект №14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хауф В., Грикуль У. Оптические методы в теплопередаче. М.: Мир. 1973. 238 с.
2. Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках. Киев: Техника, 1972. 194 с.
3. Ганчев Б.Г. Охлаждение элементов ядерных реакторов стекающими пленками. М.: Энергоатомиздат. 1987. 192 с.
4. Alekseenko S., Cherdantsev A., Kharlamov S., Markovich D. Characteristics of Liquid Film in a Vertical Pipe with the Presence of Gas Flow // Proc. of 5th World Conf. on Experimental Heat Transfer. Fluid Mechanics and Thermodynamics. Thessaloniki. Greece. 2001. September 2428. V. 3. P. 1991.
5. Drosos E.I.P., Paras S.V., Karabelas A.J. Characteristics of Developing Free Falling Films at Intermediate Reynolds and High Kapitza Numbers // Int. J. of Multiphase. 2004. № 30. P. 853.
6. Алексеенко С.В., Бобылев А.В., Евсеев А.Р. и др. Измерение толщины пленки жидкости волоконно-оптическим датчиком // ПТЭ. 2003. № 2. С. 130.
7. Зайцев Д.В., Чиннов Е. А., Кабов О.А., Марчук И.В. Экспериментальное исследование волнового течения пленки жидкости по нагреваемой поверхности // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. вып. 6. С. 31.
8. Hewitt G.F., Lovegrove P.C. Nicholls B. Film thickness measurement using fluorescence technique // AERE-R 4478. - 1964.
9. Liu J., Paul J. D., Golub J.P. Measurement of the Primary Instabilities of Film Flows // Fluid Mech. - 1993. - Vol. 250. - P. 69-101.
10. Роговая И. А., Олевский В. М., Рунова Н. Г. Измерение параметров пленочного волнового течения на вертикальной пластине. // Теоретические основы химической технологии. - 1969.-Т 3, №2. - C.200-208.
11. Кротов С. В., Назаров А. Д., Павленко А. Н., Печеркин Н. И., Серов А.Ф., Чехович В. Ю. Емкостный измеритель локальной толщины пленки азота // Журнал Приборы и Техника Эксперимента. - 1997. - №1. - С. 149-152.
12. Назаров А. Д. Разработка аппаратно-программных средств емкостного измерителя для экспериментального исследования пленочного течения криогенной жидкости // Диссертация к.т.н., Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, 2002.
© А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, А. Н. Павленко, В. Н. Мамонов, О. А. Володин, 2015
