CC BY
75
УДК 681.3
Н.И. Печеркин, А.Н. Павленко, В.Ю. Чехович, В.Е. Жуков, А.Ф. Серов, А.Д. Назаров Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе, СО РАН, Новосибирск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕМКОСТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЛОКАЛЬНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАРОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ В МИНИКАНАЛАХ
Каналы с некруглым поперечным сечением широко используются для охлаждения оборудования в энергетике, микроэлектронике, криогенике, авиационной и космической технике, химической технологии и многих других приложениях. Они охватывают широкий диапазон размеров от единиц и десятков микрометров до нескольких миллиметров. Чем меньше размер канала, тем больше особенностей и отличий наблюдается в закономерностях теплообмена и гидравлического сопротивления по сравнению с каналами обычных размеров. Это справедливо как для течения однофазных жидкостей, так и для двухфазных течений, включая фазовые переходы. В углах прямоугольных каналов силы поверхностного натяжения оказывают существенное влияние на формирование границы раздела, что приводит к отличию течения в них по сравнению с круглыми трубами. Если расстояние между стенками сравнимо с капиллярной постоянной, то жидкость с широкой стороны канала перетекает в углы, образуя мениски [1]. Течение потока газа вдоль поверхности раздела существенно изменяет волновой профиль поверхности, амплитудно-частотные характеристики и влияет на
устойчивость течения. Однонаправленное опускное течение позволяет достичь высоких скоростей пара без возникновения режимов захлебывания, что приводит к увеличению производительности тепломассообменных аппаратов. При спутном течении уменьшается минимальная толщина плёнки, и на волновой поверхности пленки появляются высокочастотные осцилляции, интенсифицируя межфазный тепломассоперенос [2].
В данной работе проведено исследование опускного течения жидкого азота в вертикальном прямоугольном канале размером 2.6x7.1 мм2. Изучалось течение пленки жидкости, как со спутным потоком пара, так и без него. Для исследования режимов течения использовались визуализация, фото- и видеосъемка на стенках канала и в поперечном сечении, проведены измерения локальной толщины пленки на широкой и узкой стенках канала емкостным методом [3].
Исследования проводились в оптическом криостате, на боковой поверхности которого были расположены четыре окна. Одно окно было установлено на верхней крышке криостата. Жидкий азот подводился к
рабочему участку из сосуда Дьюара через бак постоянного напора.
Постоянный уровень в баке
поддерживался с точностью ±1 мм. Из бака постоянного напора
жидкий азот поступал по теплоизолированному трубопроводу в верхнюю камеру рабочего участка. Для обеспечения равномерного орошения стенок канала жидкость подавалась через пористую вставку.
Газообразный азот из баллона высокого давления через
расходомер поступал в
теплообменник, погруженный в жидкий азот. Там он охлаждался до температуры жидкого азота и затем также поступал в верхнюю камеру рабочего участка. Стенки рабочего участка были изготовлены из оргстекла, рис. 2. Для наблюдения и фотосъемки в поперечном сечении в верхней и нижней камерах рабочего участка были установлены окна из оптического стекла. Подсветка канала осуществлялась через боковые окна криостата. Для измерения толщины пленки на широкой и узкой стенках канала были установлены два емкостных датчика. Центральный электрод датчика был изготовлен из платиновой проволоки диаметром 0.45 мм, вваренной в стеклянный капилляр. Внешний электрод представлял собой трубку из нержавеющей стали наружным диаметром 2 мм. Датчики установлены на расстоянии 200 мм от входа в участок, общая длина канала была 250 мм. Точность измерения толщины
пленки в диапазоне до 500 мкм была не хуже 5 %.
Эксперименты проведены при атмосферном давлении. Диапазон чисел Рейнольдса жидкой фазы изменялся от 200 до 2 000, паровой фазы - от 0 до 20 000.
При низких расходах в отсутствие потока пара жидкость течет в виде пленки с почти гладкой поверхностью, на которой имеются волны малой амплитуды и частоты. Основная часть жидкости течет в углах канала, рис. 3. Для течения чистой жидкости и при небольшом расходе пара на широкой стенке канала всегда наблюдались волны и-образной формы. При больших расходах жидкости и-образная форма волн на широкой стороне канала сохранялась, но частота следования волн становилась выше. При малых
Рис. 2. Рабочий участок
Рис. 3. Визуализация поверхности пленки на стенке и в поперечном сечении. ReL = 500.
расходах жидкости, до чисел Рейнольдса 700^-800, течение пленки на широкой и узкой стенках являются независимыми, каждое со своими волновыми характеристиками и средней толщиной пленки. Поэтому
действительные локальные числа Рейнольдса пленок на широкой и узкой стенках будут отличаться от числа Рейнольдса, рассчитанного по приведенной скорости жидкости.
Когда число Рейнольдса жидкой фазы становится 1 000 и выше, течения на широкой и узкой стенках становятся взаимосвязанными. Началу этого процесса предшествует перенос части жидкости с узкой стороны на широкую волнами большой амплитуды. Вследствие этого и на широкой стороне канала практически одновременно появляются волны большой амплитуды. На рис. 4 показаны результаты измерения средней толщины пленки. При малых расходах жидкости толщина пленки на узкой и широкой стенках примерно одинакова. Далее при увеличении расхода толщина пленки на
узкой стенке растет значительно быстрее, чем на широкой, и при максимальных расходах в 2-3 раза превышает последнюю. Такое расхождение вызвано перетеканием части жидкости с широкой стенки в углы канала под действием сил поверхностного натяжения. По мере заполнения углов канала мениски сливаются, и далее средняя толщина пленки на узкой стенке быстро возрастает. Сравнение толщины пленки на широкой стенке с расчетом по теории Нуссельта для гладкой пластины показывает, что реальная толщина пленки становится более чем в два раза ниже расчетной.
350
300
250
200
150
100
50
2 ч \д дд д
> >
Л / Д Л А
л ■>> Й- > г *г ☆☆
.■Лет* 1
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
Вег.
Рис. 4. Средняя толщина пленки:
1 - на широкой стенке; 2 - на узкой стенке
Наблюдения и измерения толщины плёнки показывают, что значительное влияние пара на структуру течения в канале начинается при скоростях, соответствующих числу Рейнольдса паровой фазы выше 10 000. При этих условиях поперечный размер волн уменьшается, и на широкой стенке укладывается 2-3 волны. Наличие спутного потока пара приводит к значительным колебаниям толщины плёнки на узкой стенке канала. При больших скоростях парового потока (Rev > 15 000), поверхность раздела
становится покрытой мелкой рябью, и плёнка жидкости равномерно распределяется по периметру канала, а в ядре потока видны капли жидкости, рис. 5. Волны на широкой и узкой стенках взаимодействуют друг с другом, возникают катящиеся волны большой амплитуды, которые иногда перекрывают всё сечение канала. Поперечный размер волн на широкой стенке уменьшается, и частота волн увеличивается. Волны большой амплитуды способствуют переносу жидкости с одной стенки на другую. Под действием высокоскоростного потока пара толщина плёнки выравнивается по периметру при переходе к дисперсно-кольцевому течению.
Анализ волновых спектров показывает, что спутный поток пара ускоряет переход к стохастическому волновому процессу и увеличивает амплитуду пульсаций. До значения числа Рейнольдса паровой фазы Rev = 10 000 на узкой стенке наблюдаются волны с характерными частотами, но колебания толщины плёнки на широкой и на узкой стенках независимы. Для режима ReL = 500 and Rev > 10 000 наблюдается переход к связанным стохастическим колебаниям на широкой и на узкой стенках, рис. 6. Для течения плёнки
жидкости без пара такой переход наблюдается при больших расходах
жидкости. С увеличением скорости пара вклад длинных волн уменьшается, а коротких увеличивается. Амплитуда волн на узкой стенке в 2-3 раза выше амплитуды на широкой стенке.
Получены экспериментальные данные по характеристикам волнового пленочного течения жидкого азота при спутном течении пара в узком прямоугольном канале. С использованием фотосъемки получены профили распределения толщины пленки жидкого азота по периметру канала при различных режимных параметрах. Показано, что при малых скоростях пара и
Рис. 5. Волновая поверхность пленки и распределение жидкости по периметру. ReL = 500, ReV = 15 000
малой плотности орошения жидкости на входе в прямоугольный канал величины толщины пленки жидкости на широкой и узкой сторонах существенно различаются. При увеличении числа Рейнольдса жидкости средняя толщина пленки на узкой стороне может более чем в три раза быть выше средней толщины пленки жидкости на широкой стороне.
Рис. 6. Амплитудно-волновой спектр для однонаправленного течения пара и жидкости в канале. Яеь = 500; 1 - широкая стенка; 2 - узкая стенка
С увеличением толщины пленки крупные волны на узкой стороне канала вызывают развитие высокоамплитудных колебаний мгновенной толщины пленки и на широкой стороне прямоугольного канала. При увеличении расхода пара при спутном течении характеристики амплитудно-волнового спектра толщины пленки жидкости на узкой и широкой сторонах канала сближаются. При этом происходит выравнивание осредненной по времени толщины пленки жидкого азота по периметру прямоугольного канала.
Обозначения
A - амплитуда, мкм;
a, b - размеры прямоугольного канала, м;
d = 2ab/(a+b) - эквивалентный гидравлический диаметр, м;
//-толщина плёнки жидкости, мм;
Re = Vd/v- число Рейнольдса;
V - приведённая скорость, м/с;
Греческие символы
X - длина волны, мм;
ИНДЕКСЫ
L - жидкая фаза;
V - паровая фаза.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kuznetsov V.V., et al. Capillary Controlled Two-Phase Flow in Rectangular Channel // Proc. Int. Conf. On Compact Heat Exchangers for the Process Industries, Snowbird, Utah, 1997. pp. 291-303.
2. Кулов Н.Н. О некоторых проблемах разделения смесей / Н.Н. Кулов // Теорет. основы хим. технологии. - 2007. - Т. 41, № 1. - С. 3-15.
3. Емкостный измеритель локальной толщины плёнки жидкости / С.В. Кротов и др. // Приборы и техника эксперимента. - 1997. - № 1. - С. 149-152.
© Н.И. Печеркин, А.Н. Павленко, В.Ю. Чехович, В.Е. Жуков, А.Ф. Серов, А.Д. Назаров,
2007
