CC BY
39
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ, №2, 2016
УДК 536 Вечер О.В. [Vecher O.V.]
Дискаева Е.И. [Diskaeva E.I.] Хащенко А.А. [Khashchenko А.А.]
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ ВОДЫ НА ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВАХ
A Study of nucleate boiling water on fusible alloys surface
Представлены результаты экспериментального исследования пузырькового кипения воды на поверхности различных расплавов. Показано, что центрами парообразования являются как имеющиеся посторонние включения, так и образования флук-туационной природы. Источником таких образований является пограничный слой между несмешивающимися жидкостями, по своей структуре близкий к раствору воды в расплаве. Экспериментально выявлено, что отрывной диаметр паровых пузырьков, а также скорость кипения практически не зависят от температурного напора, в отличие от плотности активных центров парообразования. Сравнение характеристик кипения для различных расплавов показало, что состав расплава оказывает влияние только на размеры центров парообразования. При этом такие характеристики кипения как плотность активных центров парообразования и скорость кипения мало отличаются для различных расплавов.
Ключевые слова: несмешивающиеся жидкости, кипение на расплаве, центры парообразования, отрывной диаметр, скорость кипения, характеристики процесса кипения.
An experimental results of bubble boiling study of water on the surface of various melts. It is shown that the nucleation centers are available as a foreign matter, and the fluctuating nature of education. The source of such formations is the boundary layer between immiscible liquids, which structure is closer to a solution of water in the melt. Experimentally found that the tear diameter vapor bubbles and the rate of boiling is practically independent of the temperature gradient, in contrast to the density of active boiling centers. Comparison of different characteristics for the boiling on melts surfaces indicated that the melt composition has an effect only on the dimensions of vaporization centers. In addition, such boil process characteristics like the density of active centers of vaporization and boiling speed do not differ for the different melts.
Key words: immiscible liquids, boiling on the melts surface, vaporization centers, bubble diameter, nucleation centers, boil process characteristics.
Введение. В современных условиях широкое применение легкоплавких сплавов связано с производством и применением жидкометаллических теплоносителей в энергетике и машиностроении; литейном производством (производство выплавляемых моделей и стержней, материалы для отливок); системами раннего опове-
щения возгораний (датчики температуры, клапаны пожаротушения и др.); термометрией (рабочее тело для термометров различных типов); вакуумной техникой (уплотнения, паяные швы и др.); микроэлектроникой и медициной (фиксация, протезирование и др.). Это обусловлено значительными преимуществами легкоплавких сплавов по сравнению с чистыми металлами и обычными сплавами, в том числе и в плане применения их в качестве теплоносителей [1].
В группу легкоплавких объединены сплавы, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления олова. Основу таких сплавов составляют олово и свинец с добавками кадмия и висмута. Металлы вводят в сплавы в таких количествах, чтобы образовывались легкоплавкие тройные и более сложные эвтектики.
Жидкие сплавы обладают высокими значениями коэффициентов теплопроводности, а, следовательно, способны эффективно отводить тепло от поверхности нагревателя. С другой стороны, из-за высоких температур кипения легкоплавких сплавов передача тепла может осуществляться при атмосферном давлении в широком диапазоне температур. Кроме того, явлением кавитации при течении жидкого сплава можно пренебречь. При этом с достаточной точностью можно считать, что закономерности течения жидких сплавов и простых жидкостей аналогичны.
В технике, благодаря перечисленным особенностям жидкометалли-ческих теплоносителей, получили распространение так называемые бинарные установки, в которых используются в качестве рабочих тел два вещества - жидкометаллический теплоноситель и вода. В связи с этим безусловный интерес представляет кипение в многослойной системе, состоящей из жидкометаллического теплоносителя, представленного легкоплавким сплавом, и воды, как наиболее часто применяемого теплоносителя неметаллической природы.
Постановка проблемы. Одна из основных особенностей современных исследований пузырькового кипения на границе раздела двух жидких фаз, как отечественными, так и зарубежными учеными, заключается в вы-
делении для изучения в «чистом виде» отдельных сторон этого сложного явления [2, 3]. В большей степени это относится к изучению плотности теплового потока как величины, непосредственно связанной с практическим использованием таких систем. Вместе с тем, на наш взгляд, большой интерес представляет и сам процесс зарождения и развития паровых пузырьков в многослойной системе.
Центрами парообразования в этом случае могут служить: во-первых, частицы загрязнений, сохранившихся на поверхности расплава, во-вторых, всегда присутствующее в жидкости в растворенном виде некоторое количество газов.
Если процесс кипения происходит в системе металл - вода, то наличие газа в перегретом слое последней может объясняться реакциями разложения на металлической поверхности под действием катализаторов. Так, например, в [4, 5] описано исследование процесса образования паровых пузырьков при кипении воды на поверхности ртути, которое сопровождалось выделением газов вследствие химической реакции, в которой ртуть служила катализатором:
2Н20 щ-т > 2Н2 + 02
Аналогичные реакции имеют место при кипении глицерина на расплаве олова, когда происходит термическая реакция его восстановления до альдегидов:
С,Н2(ОН) - СН{ОН) - СНг (ОН) —СЯ2 (ОН) - СН (ОН) -С =0 + Н2
Н
В-третьих, в области непосредственного контакта двух не смешивающихся жидкостей образуется некий промежуточный слой [6]. Процесс зарождения паровой фазы может происходить в этом слое, представляющем собой раствор, для которого растворителем является вещество с большей плотностью и более высокой температурой кипения, т.е. расплав, а растворенным - вещество с меньшей плотностью и более
Табл. 1. СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ
СПЛАВОВ
Сплав Состав Температура плавления
Мелот висмут 48% свинец 24% 64 "С олово 28%
Вуда висмут 50% свинец 25% 68 °С олово 12,5% кадмий 12,5%
Розе висмут 50% свинец 25% 94 °С олово 25%
низкой температурой кипения, т.е. вода. Как показал рентгенографический анализ молекулярной структуры растворов [7], в них образуются квазикристаллические группировки однородных молекул, имеются амик-роскопические капли чистых жидкостей. Таким образом, структура раствора является микрогетерогенной. Кроме флуктуаций плотности имеют место и флуктуации концентрации.
Методология и методы исследования. Целью данного исследования являлось изучение процесса пузырькового кипения воды на различных жидкометаллических поверхностях, а также выяснение влияния вещества поверхности нагрева на количественные характеристики процесса.
Для исследования использовалась дистиллированная вода ГОСТ 6709-72. В качестве поверхности нагрева были выбраны легкоплавкие сплавы на основе висмута (табл. 1).
Определение отрывного диаметра паровых пузырьков, скорости кипения и плотности активных центров парообразования проводилось при
различных значениях температурного напора с использованием методики, описанной в [8].
Обсуждение результатов исследования. Эксперименты показали, что при наличии минимального температурного напора в системе расплав - вода начинается дегазация. В расплаве она осуществляется путем образования газовых полостей в кольцевом зазоре между расплавом и стенками сосуда (рис. 1).
Рис. 1.
Рис. 2.
При увеличении температурного напора вся поверхность расплава покрывается множеством пузырьков (рис. 2).
Далее, с увеличением температуры поверхности расплава его поверхность очищается от паровых пузырей и начинается процесс всплы-
Рис. 3.
вания паровых полостей (рис. 3). Образование этих полостей связано, по-видимому, с наличием в толще расплава пузырьков воздуха.
Наконец, при достаточно высоких температурных напорах начинается процесс пузырькового кипения воды - в различных точках поверхности расплава образуются паровые пузырьки, растут, принимая грибообразную форму, отрываются и всплывают (рис. 4). Поскольку их развитие сопровож-
Рис. 4.
дается постоянными волновыми возмущениями поверхности расплава, то пузырьки за время от зарождения до отрыва перемещаются на расстояния, в несколько раз превышающие их отрывной диаметр.
Рис. 5.
С увеличением температурного напора значительно растет частота отрыва пузырьков и затем начинается бурное кипение, сопровождающееся не только интенсивным волновым процессом на поверхности расплава, но и распылением его верхнего слоя в толщу воды (рис. 5).
При охлаждении системы она проходит все описанные выше состояния в обратном порядке, исключая дегазацию. Данный процесс повторялся многократно, как в прямом, так и в обратном направлении, и проходил всегда одинаково.
Результаты экспериментального определения отрывных диаметров паровых пузырьков, скорости кипения и плотности центров парообразования для различных значений температурного напора приведены в таблице 2.
Наблюдаемый характер пузырькового кипения воды на расплавах имеет те же стадии, что и описанные в [5, 9] процессы кипения глицерина и парафина на поверхности ртути и олова. Однако, если при кипении глицерина на расплаве олова для получения режима относительно спокойно-
Табл. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ ВОДЫ НА ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВАХ
Вещество Среднее значение Скорость Средняя плотность
отрывного диаметра кипения, активных центров
паровых пузырьков, м/с парообразования,
м м-2
Сплав «Мелот» 0,0024 0,0024 0,111 0,110 2380 3750
Сплав Вуда 0,0022 0,0021 0,114 0,115 3190 3980
Сплав Розе 0,0022 0,0021 0,114 0,113 3280 3670
го кипения необходим перегрев порядка 50 °С, то для системы вода-сплав Вуда для этого достаточным является перегрев порядка 10 °С.
Вместе с тем, средние значения таких характеристик кипения, как отрывной диаметр паровых пузырьков, плотность активных центров парообразования и скорость кипения, имеют тот же порядок величин, что и при кипении воды на твердых поверхностях нагрева [5, 10, 11].
Выводы.
Анализ результатов исследования позволил сделать следующие выводы: средние значения отрывного диаметра паровых пузырьков практически не зависят от температурного напора и различаются для разных расплавов. Вместе с тем, для каждой поверхности нагрева и определенного значения температурного напора наблюдался разброс значений отрывных диаметров пузырьков порядка 10-15% от их среднего значения. Данный факт свидетельствует о том, что, во-первых, в промежуточном слое существуют центры кипения различных размеров, и, во-вторых,
на размеры этих центров влияют процессы диффузии и межмолекулярного взаимодействия между расплавом и водой.
Скорость кипения с повышением температурного напора практически не изменяется в исследуемом диапазоне температур Кроме того, характер поверхности нагрева, по-видимому, не оказывает значительного влияния на данную величину.
Плотность активных центров парообразования в исследуемом диапазоне температур слабо зависит от материала нагревателя, и в основном определяется величиной температурного напора.
Проведенное экспериментальное исследование показало, что для более полного и подробного изучения процесса пузырькового кипения на границе раздела двух жидких фаз необходимо учитывать влияние свойств пограничного слоя между ними. Диффузионные процессы, а также химическое взаимодействие между его молекулами, безусловно оказывают определенное влияние на зарождение и рост паровых пузырьков внутри него и в дальнейшем, может влиять на теплообмен в целом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Яценко С.П., Хаяк В.Г. Композиционные припои на основе легкоплавких сплавов. Екатеринбург: УрО РАН, 1997.
2. Shunsuke О., Haruhiko О., Nobuo О., Yuta F., Hiroyuki К. Boiling Heat Transfer by Nucleate Boiling of Immiscible Liquids // Interfacial Phenomena and Heat Transfer. 2013. №1 (1). P. 63-80.
3. Amimul A. Evaporation, Condensation and Heat Transfer. ISBN 978-953-307-583-9. 2011.
4. Марков И.И. О процессе пузыреобразования на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей и теплообмена между ними // Энергетика и транспорт. 1992. Т. 38. С. 89-92.
5. Марков И.И. Термодинамика и межфазные явления в механизме действия центров кипения: автореф. дис. ... докт. техн. наук. Ставрополь, 1994. 36 с.
6. Райдил Э.К. Химия поверхностных явлений. П.: ОНТН-Химтео-рет., 1936. 112 с.
7. Герасимов Я.И. Курс физической химии. М.: Химия. 1969. Т. 1.
8. Вечер О.В. О процессе генерации пара на границе раздела двух жидких фаз в условиях естественной конвекции: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2006. 18 с.
9. Gordon К.F., Singh Т., Weissman E.Y. Boiling Heat Transfer Between Immiscible Liquids // In.J. Heat or Mass Transfer. 1961. Vol. 3, P. 90-93.
10. Железный В.П., Семенкж Ю.В., Никулин А.Г., Лукьянов H.H. Методические особенности экспериментального изучения процессов кипения нанофлюидов в свободном объеме // Вестник МАХ. №3. 2014. С. 4-9.
11. Молчуев Е.В.Физика роста пузырей при кипении дистиллированной воды недогретой до температуры насыщения // Теп-лофизические основы энергетических технологий: сборник научных трудов IV Всероссийской научно-практической конференции. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. С. 26-31.
