CC BY
24
УДК 536.4.033
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВНОГО ВСКИПАНИЯ МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
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: igornt@yandex.ru
Герман Васильевич Барткус
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, лаборант, тел. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
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
В работе выполнен комплекс экспериментальных исследований распространения адиабатных волн испарения при быстром переводе хладона R141b и R113 в метастабильное состояние при сбросе давления. Проведено экспериментальное изучение взрывного кипения органических жидкостей (этиленгликоля и октана) при импульсном нагреве на микронагревателе 100 х 110 мкм. Применена оптическая методика регистрации вскипания на микронагревателе, основанная на измерении интенсивности отраженного лазерного пучка.
Ключевые слова: метастабильная жидкость, взрывное вскипание, МЭМС системы управления, микронагреватель.
INVESTIGATION OF EXPLOSIVE BOILING METASTABLE LIQUID BY OPTICAL METHODS
Igor A. Kozulin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., tel. (923)182-08-97, e-mail: igornt@yandex.ru
German V. Bartkus
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, laboratory worker, tel. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Head Laboratory of multiphase systems, tel. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Experiments to investigate propagation of adiabatic evaporation waves with fast transferring of Freon R141b and R113 in a metastable state during depressurization were made in this paper. An experimental study conducted of the explosive boiling of organic liquids (ethylene glycol and octane) under pulsed heating at microheater 100x110 mm. The method of optical registration boiling on microheater based on measuring the intensity of the reflected laser beam was applied.
Key words: metastable liquid, explosive boiling, MEMS control systems, microheater.
В работе проведено комплексное исследование динамики распада метаста-бильной жидкости при высокой внешней и внутренней плотности энергии. При изучении динамики распада метастабильной жидкости при накопленной внутренней энергии проведены эксперименты по исследованию распространения адиабатных волн испарения, возникающих при быстром переводе хладонов R-141b и хладона R-113 в метастабильное состояние, путем сброса давления. Визуализация распространения адиабатических волн осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры. Работа является продолжением экспериментального исследования работы [1] по исследованию распространения адиабатных волн испарения, возникающих при быстром переводе хладонов R-11 в ме-тастабильное состояние.
Проведено экспериментальное исследование вскипания жидкости при высокой внешней плотности энергии, при вскипании на микронагревателе. Данная тематика актуальна и может найти применение в различных областях МЭМС технологий, так например, в работе [2] технология взрывного вскипания применяется в технологии струйной печати. В работе для исследования взрывного вскипания жидкости на микронагревателе использовался оптический метод, основанный на изменении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от поверхности микронагревателя.
Исследование распространения волн испарения в метастабильной жидкости проведено на экспериментальном стенде, рис. 1 (а). Стенд включал в себя камеру низкого давления объёмом 60 литров и рабочий участок с перегретой жидкостью под давлением, разделённые мембраной, разрываемой пробойником по заданной программе. В качестве рабочих жидкостей использовались хладо-ны R141b и R113. В качестве рабочего участка использовались цилиндрические стеклянные каналы внутренним диаметром 16 мм, длиной 300 мм. Рабочий участок располагался вертикально и имел термостатированную рубашку, в которой прокачивалась вода от термостата, что позволило нагревать хладон до заданной начальной температуры Т0. Регистрация распада метастабильной жидкости проводилась с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры Optronics CR600x2. Частота видеосъемки составляла 500 кадр/c и 1000 кадр/c.
Схема экспериментальной установки для исследования динамики взрывного кипения на микронагревателе показана на рис. 1 (б). В качестве микронагревателя использовался тонкоплёночный нагреватель-резистор с размером 100x110 мкм. Начальная температура жидкости равна 200С. В экспериментах микрочип с нагревателем (1) погружался в кювету с рабочей жидкостью (2). Одиночные прямоугольные импульсы тока подавались на микронагреватель (1) для его нагрева. Для изучения фазового взрыва использована оптическая методика регистрации зародышеобразования, основанная на измерении интенсивности лазерного пучка (3), зеркально отражённого от поверхности нагревателя (1). После отражения от нагревателя лазерный луч попадал в микроскоп (4). С помощью диафрагмы (5) вырезалась область с исследуемым микронагревателем.
Интенсивность лазерного излучения регистрировалась фотодиодом (6), сигнал с которого обрабатывался на компьютере (7). При возникновении микропузырьков интегральный коэффициент зеркального отражения падает, и сигнал с фотоприёмника дает динамику заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками.
Рис. 1. а) экспериментальный стенд для исследования распространения волн испарения в метастабильной жидкости; б) экспериментальный стенд для исследования динамики взрывного кипения на микронагревателе
Для установления закономерностей распространения адиабатных волн испарения в перегретых хладонах R141b и R113 под действием высокоинтенсивных волн разрежения в прозрачном цилиндрическом канале. Волна поверхностного фазового перехода инициировалась при сбросе давления, вызванного разрывом мембраны и воздействием волны разрежения на перегретую жидкость с переводом ее в метастабильное состояние.
На рис. 2 представлена динамика развития фронта кипения для хладона R141b при температуре и давлении: T0=35.4 0С, Pres = 0.04 бар. Съемка фазового перехода осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры. Видно, что можно выделить основные стадии кипения: стадию интенсивного испарения при выбросе пересыщенного пара и перемещения границы (t=6 мс) и стадию конца выброса и остановки границы (t=12 мс).
РРРИ
1=0 мс 1=6 мс 1=12 мс 1=18 мс
Рис. 2. Структура фронта поверхностного фазового перехода для хладона R141b при температуре и давлении: Т0 = 35,4 0С, Р^ = 0,04 бар. Скорость видеосъемки 500 кадр/с
На рис. 3, а представлено изменение температуры за фронтом волны вскипания (черная кривая) и температуры насыщения, определенной по давлению -Ts (ps), (серая кривая) для хладона R141b при температуре и давлении T0 = 35.4 0С, Pres = 0.04 бар. На рис. 3, б представлено изменение температуры за фронтом волны вскипания (черная кривая) и температуры насыщения, определенной по давлению - Ts (ps), (серая кривая) для хладона R113, когда фронт вскипания начинается на межфазной поверхности жидкость-газ при температуре и давлении T0 = 65.2 0С, Pres = 0.036 бар. Практически полное совпадение температур показывает, что парожидкостный поток за волной испарения является равновесным.
50 40
30 >20
■ 10 0 -10 -20
-T, эксп
2.3
О
80 70 60 50 -40 30 20 10 0
-T, эксп
— Ts (Ps)
у VTTvtrH
2.4
2.5 t, сек
2.6
2.7
5.9
5.95
6
t, сек
6.05
6.1
а) б)
Рис. 3. Изменение температуры за фронтом волны вскипания (черная кривая) и температуры насыщения, определенной по давлению - ^ ф«) (серая кривая) для хладона (а) R141b при температуре и давлении Т0 = 35.4 0С, Pres = 0.04 бар. (б) для хладона R113. при температуре и давлении Т0 = 65.2 0С, Р^ = 0.036 бар
В работе проведены эксперименты по изучению взрывного вскипания жидкости на микронагревателе с размерами 100x110 мкм. На рис. 4, а для эти-ленгликоля тонкой линией представлена зависимость интенсивности отраженного света от микронагревателя в зависимости от времени при приведенной плотности тепловыделения qeff=1342.1 МВт/м2. Темной линией представлен
импульс с генератора, нагревающий микронагреватель. На рисунке отмечено время кипения ^ип - время между точкой начала взрывного вскипания и моментом схлопывания первого газового пузыря. В экспериментах по изучению взрывного вскипания этиленгликоля время импульса с генератора варьировалось от 4 до 0.6 мкс, при этом приведенная плотность тепловыделения менялась от qeff=250 МВт/м2 до qeff=3500 МВт/м2.
Для каждой из жидкостей, используемых в экспериментах при 200С, определен коэффициент температуропроводности как ~ ^ РичСр где к^, коэффициент теплопроводности, р^, плотность жидкости и Ср, удельная теплоемкость, коэффициент имеет размерность м2/с. Величина ^1 кип имеет размерность скорости и может характеризовать скорость развития взрывного кипения на микронагревателе. На рис. 4, б представлена зависимость параметра
/1кип от эффективной плотности теплового потока, темными треугольниками на рисунке нанесены экспериментальные данные из работы [3]. Темной
сплошной линией на рис. 4, б приведена зависимость ^1кип 0 045 ^ , которая обобщает экспериментальные данные для этиленгликоля, воды, этанола и метанола, при плотности теплового потока менее 2 ГВт/м2. Данные по октану
лежат выше и описываются зависимостью ^1кип 0 052 ^ . Это позволяет сделать вывод, что процесс взрывного вскипания октана на микронагревателе отличается от других жидкостей .
1.2 1
0.8
С
И. 0.6
о х
0.4 0.2 0
— И — С < мпульс игнал, нагреЕ зателя 42.1 М Вт/м2
о А к 1"кип ? г
/
В
02468 ^ мкс
а)
10
0.14 0.12 0.1
£ 0.<
е
12
0.06 0.04 0.02 0
□ октан
О Этиленгликоль о Вода Л Этанол
□ Метанол
Д 2007, Varlamov УЛ. (Этанол)
— Согге1 0.045*де!Г0.11
— Согге1 0.052*де!Г0.11
1000 2000 3000 4000 5000 6000 qeff, МВт/м2
б)
Рис. 4. Зависимость интенсивности света лазерного излучения, от времени для этиленгликоля при приведенной плотности тепловыделения qeff и длительности нагревающего импульса ^^ (а) qeff=1342.1 МВт/м , 1имп=1.92 мкс (б) динамика вскипания жидкостей в зависимости от плотности теплового потока
0
В работе проведено экспериментальное изучение распространения адиабатных волн испарения, возникающих при быстром переводе хладонов R-141b, R-113 (ретроградная жидкость) в метастабильное состояние путем сброса давления в волне разрежения. Проведено экспериментальное исследование по образованию метастабильных состояний и их распада при импульсном нагреве жидкости. Получена зависимость по динамике вскипания жидкостей от плотности теплового потока.
Работа выполнена за счет гранта РФФИ № 15-08-06870 А.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kuznetsov V. V., Kozulin I. A., Vitovsky O. V. Experimental investigation of adiabatic evaporation waves in superheated refrigerants // Journal of Engineering Thermophysics. - 2012. -V. 21 (2). - P. 136-143.
2. Allen R R, Meyer J D., Knight W.R. Thermodynamics and hydrodynamics of thermal ink jets // Hewlett-Packard J. - 1985. -V. 36. -P. 21-27.
3. Varlamov Yu. D., Meshcheryakov Yu. P., Predtechenskii M. P., Lezhnin S. I., Ul'yankin S. N. Specific features of explosive boiling of liquids on a film microheater // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. - 2007. - Vol. 48, No. 2. - P. 213-220.
© И. А. Козулин, Г. В. Барткус, В. В. Кузнецов, 2016
