CC BY
27
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 536.24
ПАРООБРАЗОВАНИЕ ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ В ОКРЕСТНОСТИ РАСТУЩЕГО ПЕРВИЧНОГО ПУЗЫРЯ
© 2010 г. Е.Н. Даценко, А.М. Гапоненко, Н.Н. Авакимян, Н.И. Васильев
Кубанский государственный технологический Kuban State Technological
университет, г. Краснодар University, Krasnodar
Представлена методика экспериментального исследования процесса образования инициированных пузырей, окружающих растущий первичный пузырь в перегретой жидкости, и результаты исследования. Возможный механизм образования инициированных пузырьков может заключаться в быстрой деформации сферических докритических зародышей, расположенных в окрестности растущего первичного пузыря, преобразования их в сплюснутый эллипсоид, имеющий большую полуось больше радиуса критического зародыша.
Ключевые слова: парообразование; котлоагрегат; перегретая жидкость; межфазная поверхность; инициированные пузырьки.
The technique of an experimental research of process of formation of the initiated bubbles enclosing a growing primary bubble in an overheated liquid and outcomes of a research is represented. The possible mechanism of formation initiated bubbles can consist of a fast strain of spherical subcritical germs located in a neighbourhood of a growing primary bubble, transformation them in Flatten an ellipsoid have the semimajor axis more of a radius of a critical germ.
Keywords: vapourization; boiler aggregate; overheated liquid; interfacial surface; initiated bubbles.
Расчет пузырьковых течений в экранных трубах котлоагрегатов в нестационарных, переходных, аварийных режимах их работы, когда значительный объем жидкости в трубах может оказаться перегретым, производится с помощью гетерогенных моделей, где компонентами являются жидкость, пар, стенки труб. Межкомпонентное взаимодействие учитывается зависимостями, описывающими физические процессы на границах компонентов, в частности процесс зарождения и роста паровых пузырьков на стенке обогреваемого канала и в объеме нагретой жидкости [1]. При этом предполагается, что поверхность растущего пузырька гладкая, вплоть до его отрыва от нагреваемой стенки или дробления потоком. Однако в известных методиках расчета экранов не учитываются пузырьки пара [2], которые могут зародиться на поверхности растущего в перегретой жидкости первичного пузыря, число которых может быть значительным и которые могут изменить динамику процесса парообразования в экранных поверхностях рассчитываемого котлоагре-гата.
Параметры этих пузырьков, их число, а также условия и механизм их возникновения остаются малоисследованными. Неучет такой особенности процесса роста паровых пузырьков может приводить к уменьшению точности расчетов и снижению надежности котлоагрегата.
На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки для наблюдения и исследования процесса
парообразования и роста паровых пузырей в перегретой воде.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования процесса роста пузырей пара в перегретой воде: 1 - капля воды; 2 - мешалка; 3 - термопара хромель-копель; 4 - нагреватель; 5 - осветитель; 6 - стеклянное окно; 7 - регулятор температуры; 8 - термометр; 9 - двигатель; 10 - индукционная катушка; 11 - блок управления; 12 - расплавленный парафин; 13 - высоковольтный разрядник; 14 - скоростная кинокамера; 15 - частотомер; 16 - подложка с каплей воды, лежащей на ней
Капля дважды дистиллированной, термически деаэрированной воды 1, располагалась на поверхности никелевой ложечки (подложки) 16, которая, в свою
очередь, погружалась в среду расплавленного парафина или парафинового масла 12. Поверхность подложки, обращенная к капле воды, полировалась до зеркального блеска и была вогнутой, чтобы капля с нее не скатывалась. Во время опытов между поверхностью подложки и каплей воды существовала тонкая пленка расплавленного парафина, что установлено непосредственным измерением электрического сопротивления, которое было велико (~ 100 МОм) при малых напряжениях между каплей и подложкой и резко уменьшалось при напряжениях больше 60 В. Это свидетельствовало об электрическом пробое диэлектрической жидкой пленки между каплей и подложкой и позволяло оценить толщину пленки парафина в опытах по электрической прочности парафина -примерно 6-10-7 м. Парафин перед использованием предварительно очищался от твердых частиц перегонкой в вакууме, чтобы гарантированно исключить гетерогенное парообразование.
Парафин поддерживался в расплавленном состоянии с нужной температурой нагревателем 4, с помощью регулятора 7, вместе с термопарой 3, с точностью 0,1 °С. Постоянство температуры по объему среды обеспечивалось мешалкой 2, вращаемой двигателем 9. Частота вращения пропеллера мешалки выбиралась таким образом, чтобы обеспечивалось постоянство температуры по всему объему кюветы при перемещении термометра 8 с разницей в различных точках не более 0,2 °С. Термометр 8, лабораторный ртутный, с ценой деления 0,1 °С, предварительно тарированный в водяном паре в атмосферных условиях с учетом реального барометрического давления. Над поверхностью капли располагалось электроразрядное устройство 13. Импульс высокого напряжения длительностью около 10-6 с подавался на него от индукционной катушки 10. Пробой разрядного промежутка в парафине вызывал возникновение и распространение ударной волны типа сжатие - растяжение, которая концентрировалась подложкой 16 внутри капли воды. Концентрация была необходима для того, чтобы первичный пузырь возник внутри капли, а не на ее поверхности. В фазе растяжения первичный пузырь возникал в точке концентрации энергии ударной волны. Энергия разряда выбиралась для каждого перегрева жидкости наименьшей, но достаточной для получения устойчивого возникновения первичного пузыря.
Киносъемка процесса роста первичного пузыря производилась с помощью высокоскоростной камеры ВСК-5, модернизированной для условий экспериментов. Изображение процесса передавалось через объектив на вращающийся зеркальный стержень квадратного сечения, отражалось от одной из его граней, затем проходило на один из объективов из сборки вторых объективов и фокусировалось на поверхности фотопленки. Одновременно сигнал готовности камеры, полученный с помощью луча лазера и фотоэлемента, поступал на блок управления 11. Частота вращения выбиралась таким образом, чтобы обеспечить скорость съемки 104 кадр/с.
Исследование процесса роста пузырей пара в перегретом н-пентане проводилось по аналогичной методике на модифицированной установке. Вводимые изменения: нагреваемая среда - дистиллированная вода; подложка установлена выпуклой стороной вверх; разряд - в среде масла, изолированного от нагреваемой среды (дистиллированной воды) тонкой полимерной пленкой.
На рис. 2 представлены фотографии процесса роста первичного пузыря пара в капле воды. Температура перегрева составляла ДТ= 10 К.
Рис. 2. Образование новых (инициированных) пузырьков пара на поверхности первичного пузыря, растущего в капле перегретой воды. Длительность времени между приходом запускающего импульса и моментом съемки: а - 0,1 мс; б - 0,3 мс; в - 0,4 мс; г - 1,1 мс. ДТ = 10 К
На рис. 2 а вверху видно изображение неоднородности в парафине, остающейся после запускающего разряда, сферической формы темного цвета. Внизу видна капля воды, лежащая на подложке. Также видно, что внутри капли образовался первичный пузырь сферической формы, имеющий радиус R ~ 0,25 мм. На поверхности пузыря не различимы никакие неоднородности и его поверхность в пределах разрешающей способности представляется гладкой.
На рис. 2 б, через 0,3 мс после прохождения запускающего разряда, видно, что поверхность первичного пузырька уже не гладкая: внизу образовался выступ округлой формы, направленный внутрь жидкости. Радиус кривизны этой округлости примерно 0,1 мм. Вверху видна неоднородность перегретой среды, оставшаяся после запускающего разряда.
На рис. 2 в видно, что на первоначально гладкой поверхности первичного пузыря образовалось множество новых небольших пузырей радиусом ~ 0,03^0,1 мм. При этом радиус первичного пузыря составляет приблизительно R ~ 0,75 мм. Более точно определить размеры первичного пузыря затруднительно, так как новые пузырьки экранируют его изображение на снимках. В дальнейшем будем называть эти новые пузырьки, возникшие на поверхности первичного пузыря, растущего в перегретой жидкости, иницииро-
в
г
ванными. При этом предполагается, что причиной возникновения инициированных пузырьков является само существование и рост первичного пузырька в перегретой жидкости, инициирующего рост новых пузырьков на своей поверхности.
На рис. 2 г показано, как первичный пузырь пара выходит за пределы капли перегретой воды в среду нагретого парафина. Поверхность пузыря бугристая вследствие объединения его с инициированными пузырьками. На поверхности пузыря также заметны еще не объединенные с первичным пузырем инициированные пузыри, а также вновь возникаемые.
Аналогичные опыты с н-пентаном показали сходные результаты.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено, что:
- на поверхности парового пузыря (первичного), растущего в перегретой жидкости (вода, н-пентан), могут возникать и расти новые паровые пузырьки (инициированные);
- величина наименьшего перегрева жидкости относительно температуры насыщения для наблюдения инициированных пузырьков в различных опытах составляла АТт1П= (6^10) К для исследованных жидкостей. При АТ <6 К инициированные пузырьки не наблюдались никогда, при АТ >10 К наблюдались всегда;
- при перегреве жидкости АТ = (6^ 10) К отношение диаметров первичного пузыря и инициированных находилось в диапазоне 5^20. Повышение перегрева до АТ = 30 К увеличивало этот диапазон до 5^ 100, и приводило к большему разбросу диаметров инициированных пузырьков;
- при малых перегревах АТ = (6^10) К инициированные пузырьки имели форму, близкую к сферической, увеличение перегрева до АТ = 30 К приводило к изменению этой формы: пузырьки приобретали форму вытянутого эллипсоида с соотношением большой и малой осей, равным 1^6 (в различных экспериментах). Кривизна поверхности инициированных пузырьков, расположенная вблизи поверхности растущего первичного пузыря, была меньше, чем кривизна поверхности, удаленная от первичного пузыря, так что многие инициированные пузырьки приобретали грушевидную форму;
- при перегреве АТ > 30 К во многих экспериментах наблюдались на поверхности инициированных пузырьков, выросших до размеров первичного пузыря, новые инициированные пузырьки (второго поколения), которые также росли.
В тех опытах, в которых наблюдались инициированные пузырьки, всегда конечной стадией развития процесса парообразования было взрывообразное испарение капли, с возникновением ударной волны, которая сопровождалась резким звуком. В опытах без наблюдения инициированных пузырьков происходило быстрое испарение жидкости из капли, но без возникновения резкого звука удара.
Теория процесса возникновения инициированных пузырей в настоящее время отсутствует, но можно предложить простую схему механизма этого процесса, представленную на рис. 3.
r > Гк
Рис. 3. Возможная схема возникновения вторичных пузырей: 1 - большая полуось сплюснутого эллипсоида; 2 - поверхность растущего предкритического зародыша; 3 - поверхность сверхкритического зародыша; 4 - тепловой пограничный слой; 5 - поверхность растущего первичного парового
пузыря
Известно, что в окрестности растущего в перегретой жидкости первичного пузыря существует поле избыточного давления, которое подавляет переход докритических зародышей в сверхкритические и которое достигает наибольшей величины на поверхности первичного пузыря, и поэтому, казалось бы, вероятность возникновения вторичных пузырей именно вблизи поверхности первичных мала. Однако известно также, что жидкость в окрестности растущего пузыря имеет значительную скорость деформации, причём такую, что сферическая частица жидкости с течением времени принимает форму сплюснутого эллипсоида, малая ось которого направлена вдоль радиус-вектора первичного пузыря, а две другие оси одинаковы и перпендикулярны радиус-вектору. Такую же форму принимал бы и докритический зародыш пузыря, если бы не действовали силы поверхностного натяжения и дополнительное испарение с тех частей поверхности деформируемого зародыша, которые имеют малую кривизну и стремятся вернуть зародышу сферическую форму. Сравнение этих трех факторов показало, что дополнительное испарение намного быстрее, чем поверхностное натяжение, возвращает сферическую форму зародышу и происходит существенно быстрее, чем деформация зародыша из-за роста первичного пузыря.
Поэтому докритический зародыш, находящийся в поле двухосного растяжения и одноосного сжатия, из-за дополнительного испарения с частей с малой кривизной, почти сохраняет форму сферы, диаметр которой близок к размеру больших осей эллипсоида. А так как размер больших полуосей постоянно увеличивается из-за роста первичного пузыря, то наступает такой момент времени, когда г > гкр (г - радиус иницииро-
ванного зародыша) для инициированного пузыря. Толщина слоя жидкости, отделяющая первичный пузырь от инициированного, определяется толщиной теплового пограничного слоя, окружающего первичный пузырь. При достижении толщиной этого слоя, в результате роста первичного и инициированного пузыря, наименьшей величины, слой разрушается, первичный пузырь объединяется с инициированными, объединенный пузырь приобретает бугристую форму. Бугристый пузырь, а тем более пузырь, окруженный инициированными пузырями, имеет большую межфазную поверхность, поэтому движение его отличается от движения гладкого пузыря.
В экранных трубах котлоагрегата в пузырьковом режиме течения достигается например, работу [3], необходимая величина перегрева жидкости в пристенной области ~ 10 К в стационарных условиях, а
Поступила в редакцию
тем более в нестационарных, аварийных и переходных режимах работы. Таким образом, в точных расчетах пузырьковых течений в обогреваемых трубах необходимо учитывать возможность процесса образования инициированных пузырей.
Литература
1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. I и II. М., Наука, 1987. 464 с.
2. Рост вторичных пузырьков пара на стенке первичного пузыря в перегретой жидкости / А.С. Трофимов [и др.] // МИФ 2000 : материалы III Междунар. конф. по теплообмену. Минск, 2000. С. 52 - 55.
3. Афган И. Перегрев кипящих жидкостей. М., 1979. 79 с.
17 мая 2010 г.
Даценко Елена Николаевна - старший преподаватель, кафедра нефтегазового промысла, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 220-49-58. E-mail: aldac@mail.ru
Гапоненко Александр Макарович - д-р техн. наук, профессор, кафедра промышленной теплоэнергетики и тепловых электрических станций, Кубанский государственный технологический университет.
Авакимян Наталья Николаевна - канд. физ.-мат. наук, доцент, кафедра общей математики, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 222-75-71. E-mail: avnatali@mail.ru
Васильев Николай Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра ПТЭ и ТЭС; Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 222-51-27.
Dacenko Elena Nikolaevna - senior lector, department «Petroleumgas of a Craft», Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 220-49-58. E-mail: aldac@mail.ru
Gaponenko Aleksandr Makarovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Industrial Power of Heat and Thermal Electrical Stations», Kuban State Technological University.
Avakimyan Natalya Nikolaevna - Candidate of Physico-Mathematical Sciences assistant professor, department «Common Mathematics», Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 222-75-71. E-mail: avnatali@mail.ru
Vasiliev Nikolay Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Industrial Power of Heat and Thermal Electrical Stations», Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 222-51-27._
