CC BY
24
УДК 536.248.2
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУР, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ КИПЕНИИ И ИСПАРЕНИИ ТОНКОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ
Владимир Иванович Жуков
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химической технологии, тел. (383)346-08-01, e-mail: vizh@inbox.ru
Александр Николаевич Павленко
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зав. лабораторией низкотемпературной теплофизики, тел. (383)330-87-00, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Сообщаются результаты визуальных наблюдений различных структур, образующихся при кипении и испарении тонких горизонтальных слоев жидкости. В слоях ниже капиллярной постоянной при низком давлении образовывались сухие пятна, при повышении давления возникало пузырьковое кипение жидкости. В слоях выше капиллярной постоянной при низком давлении под действием реактивной силы фазового перехода образовывались структуры в форме «воронок» и «кратеров». При повышении давления возникало пузырьковое кипение. Приводится пример построения карты областей существования структур в слое жидкости в зависимости от режимных параметров процесса.
Ключевые слова: тонкий слой жидкости, реактивная сила фазового перехода, критический тепловой поток, сухие пятна.
THE STUDY OF STRUCTURES INDUCED BY BOILING AND EVAPORATING OF HORIZONTAL THIN LIQUID FILMS
Vladimir I. Zhukov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20, K. Marx Ave., Ph. D., Associate Professor Department of Chemical Engineering, tel. (383)346-08-01, e-mail: vizh@inbox.ru
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Corresponding Member of Russian Acad. Sci., Head of Low-Temperature Thermophysics Laboratory, tel. (383)330-87-00, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
The study presents the visual observation outcomes of different structures behavior, which have formed as a result of boiling and horizontal thin liquid films evaporation. Dry spots are found to appear at low pressure in the layers below the capillary constant, however, the increase in pressure causes bubble boiling of the liquid. The structures in the shape of 'funnels' and 'craters' tend to form at low pressure in the films beyond the capillary constant limit while being induced by the vapor recoil force. The rise in pressure leads to bubble boiling. The authors present the example of the mapping technique for structure areas location in the layer of liquid when taking into account the dependence on operating parameters.
Key words: thin layer of liquid, vapor recoil force, critical heat flux, dry spots.
Тонкие пленки жидкости используются в промышленности для охлаждения поверхностей. Возникновение разрывов, сухих пятен уменьшает область их применения. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал относительно влияния тех или иных параметров на критические тепловые потоки, при которых происходят разрывы пленок и осушение поверхности. В [1-3] получено, что в движущихся тонких пленках критический тепловой поток уменьшается при уменьшении толщины пленки. В [4] показано, что в тонких горизонтальных неподвижных слоях жидкости критический тепловой поток увеличивается с увеличением высоты слоя при кипении и испарении слоя в условиях пониженных давлений. В толстых слоях величина теплового потока становилась постоянной, происходил переход к режиму теплообмена в большом объеме. При этом величина критического теплового потока была значительно больше, чем это следует из известной расчетной зависимости [5] и была близка к расчетам по формулам [6, 7]. В классическом кинематографическом исследовании пузырькового кипения на горизонтальной поверхности нагрева [8] были идентифицированы режимы кипения с различными паровыми структурами. На теплоотдачу в тонких горизонтальных слоях жидкости влияет большее количество факторов, в частности, влияет высота слоя жидкости. В настоящее время существует необходимость идентификации режимов кипения и испарения тонких горизонтальных слоев жидкости со структурами, которые в них образуются. В данной работе представлены результаты исследования теплообмена и визуальных наблюдений структур, образующихся при кипении и испарении горизонтальных слоев н-додекана различной высоты.
Исследование проводилось на экспериментальной установке, подробное описание которой приведено в [4]. Рабочая камера, где проводились эксперименты, конструктивно выполнена в виде термосифона. Она представляет собой цилиндрический сосуд с внутренним диаметром 120 мм, высотой 300 мм и толщиной стенок 1 мм из стали 12Х18Н10Т. На наружной поверхности верхней части расположен змеевик охлаждения. Для визуальных наблюдений сверху и сбоку на рабочей камере имелись смотровые окна. В ходе экспериментов реа-лизовывался ряд стационарных режимов теплообмена, при которых регистрировались температуры по толщине поверхности нагрева, давление над слоем жидкости в объеме, и одновременно проводилась видеосъемка процесса видеокамерой с частотой кадров 240 кадр/с. Давление в рабочей камере измерялось деформационно-ионизационным датчиком вакуума и поддерживалось постоянным регулировкой с помощью натекателя и вентиля. Критический тепловой поток фиксировался по моменту резкого роста температуры поверхности нагрева при постоянном тепловом потоке. В экспериментах получали кривые кипения при постоянном значении давления над слоем.
По результатам визуальных наблюдений получено, что в тонких слоях жидкости образуются структуры четырех основных типов: сухие пятна (рис. 1), "воронки" (рис. 2), "кратеры" (рис. 3) и полусферические пузыри (рис. 4). Сухие пятна представляют собой области в слое не смоченные жидкостью. "Воронки" представляют собой углубления с полусферическим днищем в тонком слое жидкости. "Кратеры", в отличие от "воронок", имеют в центре углубления протяженный плоский остаточный слой жидкости конечных размеров. "Воронки" и "кратеры" образуются в слое под действием реактивной силы фазового перехода. "Кратеры" обычно образуются на месте массива "воронок".
Рис. 1. Сухое пятно в слое н-додекана: высота к = 0.8 мм (к/1а = 0.45); давление в объеме Р5 = 17400 Па, д = 8240Вт/м2, (Т^ -Т) = 20 К
Рис. 2. «Воронки» в слое н-додекана: высота h = 2.5 мм (h/la = 1.4); давление в объеме Ps = 133 Па, q = 4380 Вт/м2, (Tw -Ts) = 20.6 К
Рис. 3. «Кратер» в слое н-додекана: высота h = 2.5 мм (h/lff=1.4); давление в объеме Ps = 133 Па, q = 12780 Вт/м2, (Tw -Ts) = 20.2 К
Рис. 4. Полусферические пузыри в слое н-додекана: высота к = 1.7 мм, (Ма = 0. 95); давление в объеме Р5 = 17400 Па, д = 27700 Вт/м2, Т -Тя) = 20 К
На рис. 5 показаны области существования сухих пятен и пузырькового кипения в слое с высотой меньше капиллярной постоянной. Из рисунка видно,
л
что сухие пятна наблюдались в слое при приведенных давлениях Р/Рсг< 2-10" и
л
тепловых потоках д< 4000 Вт/м . В диапазоне приведенных давлений 4-10"
3 2 2
<Р/Рсг <2-10" при тепловых потоках д>4000 Вт/м в слое наблюдались сухие
пятна, а на смоченных участках поверхности наблюдалось пузырьковое кипел
ние. При приведенных давлениях Р/Рс>2-10" в слое в процессе его нагрева при более низких тепловых потоках сначала возникало пузырьковое кипение, а затем появлялись сухие пятна обычно в местах разрушения полусферических пузырей. Для объяснения связи между режимными параметрами и наличием различных структур в слое жидкости были выполнены оценки отрывного диаметра пузырьков для процесса кипения жидкости. Получено, что при приведенных давлениях Р/Рсг<2-10" отрывной диаметр пузырей сравним или даже больше
л
диаметра рабочей камеры. При приведенных давлениях Р/Рсг ~ 2.8-10" отрывной диаметр пузырей всего в 2-3 раза больше высоты слоя. Максимальные значения тепловых потоков на рис. 5 соответствуют критическим тепловым потокам. При низких приведенных давлениях критические тепловые потоки слабо зависят от давления. Величина критических тепловых потоков для тонкого горизонтального слоя жидкости существенно меньше, чем их расчетные значения по зависимостям [5-7] для кипения жидкости в большом объеме.
Рис. 5. Карта гидродинамических режимов кипения и испарения слоя н-додекана: высота h = 0.8 мм (h/la = 0.45); 1 - пузырьковое кипение, 2 - сухие пятна в слое, 3 - совместно наблюдаются в слое сухие пятна и пузырьковое кипение. Расчетные зависимости: 4 - [5], 5 - [6, 7].
Построен пример карты областей существования в слое определенной высоты различных структур и переходные области, где наблюдались одновременно структуры нескольких типов, в зависимости от приведенного давления и теплового потока. Критические тепловые потоки в горизонтальном слое с высотой менее капиллярной постоянной меньше, чем критические тепловые потоки при кипении жидкости в большом объеме.
Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
Обозначения:
h - высота слоя жидкости, м; la - капиллярная постоянная, м; P - давление, Па; Pcr - критическое давление для жидкости, Па; q - плотность теплового потока, Вт/м2; Tw , Ts - температура поверхности нагрева и температура насыщения, соответственно, К.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Pavlenko A.N., Lel V.V. Heat Transfer and Crisis Phenomena in Falling Films of Cryogenic Liquid // Russ. J. Eng. Therm. - 1997. - Vol. 7. no's 3-4. - P. 177-210.
2. Pavlenko A.N., Lel V.V., Serov A.F., Nazarov A.D. and Matsekh A.D. The Growth of Wave Amplitude and Heat Transfer in Falling Intensively Evaporating Liquid Films // J. Eng. Therm. - 2002. - Vol. 11, № 1. - P. 7-43.
3. Mahmoudi S.R., Adamaik K., Castle G.S.P. Two-Phase Cooling Characteristics of a Saturated Free Falling Circular Jet of HFE7100 on Heated Disk: Effect of Jet Length// Int. J. Heat Mass Transfer. - 2012. - vol. 55. - P. 6181-6190.
4. Жуков В.И., Павленко А.Н., Нагайцева Ю.В., Вайсс Д. Влияние высоты слоя на теплообмен и критический тепловой поток при испарении жидкости в условиях низких давлений // Теплофизика высоких температур. - 2015. - Т. 53, № 5. - С. 727-734.
5. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции // ЖТФ. - 1950. - Т. 20. № 11. - С. 1389-1392.
6. Ягов В.В. Физическая модель и расчетное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкостей в большом объеме // Теплоэнергетика. - 1988. - № 6. - С. 53-59.
7. Yagov V.V. Is a crisis in pool boiling actually a hydrodynamic phenomenon? // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2014. - Vol. 73. - P. 265-273.
8. Gaertner R.F. Photographic Study of Nucleate Pool Boiling on a Horisontal Surface // Trans. ASME. J. Heat Transfer - 1965 - Vol. 87, № 17. - P.18-29.
© В. И. Жуков, А. Н. Павленко, 2016
