CC BY
47
УДК 536.248.2.001.24
СВЯЗЬ МЕЖДУ СКОРОСТЬЮ ИСПАРЕНИЯ И КРИТИЧЕСКОЙ плотностью ТЕПЛОВОГО ПОТОКА КИПЯЩИХ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ
В.В. РОМАНОВ
(Донской государственный технический университет)
Представлены экспериментальные сравнения между величинами пиковых критических тепловых потоков при ненасыщенном кипении бинарных смесей вода - этанол и вода - изоамиловый спирт и величинами скорости внешнего испарения навесок соответствующих жидкостей. Предложена физическая модель возникновения кризиса кипения жидкостей.
Ключевые слова: кризис кипения, критическая плотность теплового потока, приведенная скорость пара.
Введение. Важность изучения явления кризиса кипения жидкостей неоспорима. Согласно моделям [1,2] одним из основных параметров кризиса теплоотдачи при кипении жидкостей является приведенная скорость пара, отходящая от поверхности нагревателя. В случае кризиса кипения она вычисляется по формуле:
где ^кр - критическая плотность теплового потока, МВт/м2; і - удельная теплота парообразования, Дж/кг; рп - плотность пара, кг/м3.
Уравнение (1) можно трактовать в соответствии с формулой Умова о движении энергии
где рэ - плотность энергии, Дж/м3; V-скорость внешнего испарения, мг/с.
Это объясняется тем, ЧТО Рэ = рп£ / Т. е. при кипении жидкости вся энергия уходит в паровую фазу, а скорость движения энергии у' есть приведенная скорость пара икр, «ответственная» за явление отжима жидкости паром при кризисе кипения [1]. В работе [2] сформулирован и выведен критерий подобия, который вносит существенный вклад в понимание критической тепловой нагрузки при кипении жидкости. Критерий К выведен с учетом скорости пара и из таблиц четырех величин:
где рж - плотность жидкости, Дж/м3; а - коэффициент поверхностного натяжения.
С помощью п- теоремы метода размерностей и с учетом соотношения (1) и получен единственный критерий
Его численное значение определяют все гидродинамические характеристики процесса кипения жидкости в большом объеме, например, скорость пара в отдельных точках объема. Эта скорость уменьшает приток жидкости к поверхности нагрева из-за отталкивания и тем самым обусловливает при определенной величине ее отжим. Это и есть начало кризиса кипения. Поэтому важно экспериментально определить скорость парообразования.
Изучение плотности теплового потока проводилось на экспериментальной установке, блок-схема которой представлена в работе [3]. В качестве экспериментальных жидкостей были выбраны вода, вода - этанол до 70 % и вода - изоамиловый спирт до 6 %. Концентрации составлялись по весу органического компонента в воде. Перед получением необходимого раствора дистиллированную воду кипятили несколько минут, остужали и добавляли в нее определенную заранее массу спирта. Полученную смесь помещали в экспериментальный сосуд емкостью 300 мл. Ненасыщенное кипение жидкости происходило на медном цилиндрическом нагревателе диаметром 55 мкм, длиной 50 мм. Перед началом эксперимента нагреватель или тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) кондиционировался, т. е. осторожно прокаливался на воздухе, так как кондиционирование улучшает статистику измерения дкр. Опыты проводились при атмосферном давлении, температура
Ц = рэУ .
(2)
Рп^2,^(Рж -р„),СТ,£,
(3)
к =
(4)
смеси поддерживалась всегда постоянной 22 °С. Кипение на поверхности ТВЕЛа генерировалось с помощью электрического нагрева постоянным током. С учетом величины тока, напряжения и площади поверхности нагревателя определялась величина плотности теплового потока. Для всех бинарных смесей производился квазистатический нагрев [3], что позволило поддерживать температуру ядра жидкости постоянной и сохранять неизменную концентрацию органического компонента в пристеночном слое перегретой жидкости.
На рис. 1 представлены результаты экспериментов по определению критической тепловой нагрузки при кипении бинарных смесей.
а) б)
Рис. 1. Зависимость критической плотности теплового потока от весовой концентрации органического компонента в системах: а - вода-этанол; б- вода - изоамиловый спирт
С увеличением содержания спирта в воде величина критической плотности теплового потока возрастала до максимального (пикового) значения. В системе вода - изоамиловый спирт при концентрации х = 0,5% величина пикового критического теплового потока </Кр.пик =11,0 МВт/м2. В бинарной смеси вода - этанол при концентрации х = 20 % максимальная величина критической плотности теплового потока равна </кр пик =9,4 МВт/м2.
Методику работы [4] использовали в исследованиях испарительных свойств навесок этих смесей. С помощью капилляра навески объемом 22,4 мл наносились на поверхность нагрева бронзовой массивной плиты. Температура определялась с помощью термопары К-типа, впаянной на глубину 1 мм от поверхности нагрева. По массе навески и времени ее испарения вычислили скорость парообразования у. На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости массовой скорости V испарения навесок от температуры Т поверхности нагрева двух бинарных систем (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость массовой скорости испарения навесок от температуры нагревателя системы: а - вода - этанол 20 %; б- вода - изоамиловый спирт 0,5 % по весу органического компонента
В системе вода - этанол с увеличением температуры поверхности нагрева от 100 до 140 °С, монотонно возрастает скорость испарения навески и достигает максимума. При температуре 140 °С скорость испарения максимальна и равна 51,9 мг/с, время / испарения - 0,41 с. При испарении навески бинарной смеси вода - изоамиловый спирт 0,5 % по весу изоамилового спирта, максимальная скорость испарения - 70,3 мг/с, время / испарения - 0,58 с. На рис. 3, а, б представлены кривые скорости внешнего испарения навесок бинарных смесей.
Рис. 3. Зависимости скорости испарения навесок бинарных смесей от весовой концентрации органического компонента: а - вода - этанол (20 %); 6 - вода - изоамиловый спирт (0,5 %)
При увеличении концентрации этанола в воде величина скорости испарения навески увеличивается от 35 мг/с при х = 0 % до максимального ее значения 51,9 мг/с при концентрации х = 20 %, при этом температура поверхности нагрева - 140 °С. Далее, с увеличением концентрации спирта в навеске скорость быстрого испарения уменьшалась, при этом температура поверхности нагрева была выше, чем 140 °С. При испарении навесок бинарной смеси вода - изоамиловый спирт максимальной скоростью испарения V 70,3 мг/с обладала навеска с 0,5 %-ым содержанием органического компонента, при этом температура поверхности нагрева была 136 °С.
Если сопоставить измеренные значения пиковых критических тепловых потоков в рассматриваемых бинарных смесях с обнаруженными в данной работе величинами массовой скорости Цпах испарения навесок, обнаруживается важная закономерность процессов испарения и кипения этих жидкостей (рис. 4).
12'
10.
10'
н
т
...
ж *
-■
т
-♦
40 45
50 55 60
Ртаи МГ/С
а)
65 70
75
30
35
40
45
50
55
, мг/с
б)
Рис. 4. Пиковые критические тепловые потоки при кипении жидкостей с максимальной скоростью испарения навесок соответствующих смесей: а - вода - изоамиловый спирт (до б %); 6- вода - этанол (до 70 %)
Оказалось, что величина отношения максимальной плотности теплового потока дкР/ при кипении смесей к величине максимальной скорости испарения утах навесок соответствующих жидкостей постоянна и равна 0,15-0,21. Например, для системы вода - этанол экспериментальные результаты можно представить в виде таблицы.
X , % q , МВт/М2 V , мг/с q/v
0 7,2 34 0,21
10 8,7 48,3 0,18
20 9,4 51,9 0,18
30 6,3 42 0,15
40 5,7 36,7 0,16
50 5,2 34,1 0,15
60 5 32,6 0,15
70 5,2 30,3 0,17
Связь между плотностью теплового потока и скоростью внешнего испарения можно представить в виде экспериментальной зависимости: для раствора вода - изоамиловый спирт
^/кр.пик — 0,23vmax — 4,6, для раствора вода — этанол ^/кр.пик — 0,21vmax — 1,8.
Полученные результаты экспериментов можно объяснить на основе следующей модели. Допустим, что в области кризиса кипения на плоской поверхности нагрева существуют направленные вверх паровые струи площадью сечения S. Направление теплового потока и направление паровых струй совпадают. При увеличении температуры поверхности на АТ за время At
вверх поднимется струя пара объемом SvMAt и массой Am = pnSvMAt, при этом изменение им-
л
пульса будет AmvM = pnSvMAt. В момент кризиса кипения при отталкивании жидкости паром должно выполнятся условие:
Fn > Fj, (5)
где Fn - сила пара, Fj - сила веса жидкости.
Так какрпЛ>м > mg то vl>mglpnS. (6)
Плотность теплового потока q равна энергии деленной на произведение £, и At
q = Amvl /2SAt = pnv^ 12. (7)
Из (6) и (7) получаем: q = {mg12S)vn. (8)
Таким образом, плотность теплового потока g пропорциональна массовой скорости испарения. Заключение. На основании экспериментальных данных доказано, что (8) является характеристикой плотности теплового потока. В области пузырькового кипения с ростом температуры поверхности растет скорость пара, которая достигает достаточной величины, чтобы произвести отталкивание жидкости от поверхности, при этом величина плотности теплового потока достигает максимального значения. С этого момента теплоотдача резко убывает, что и является кризисом теплоотдачи при кипении жидкости.
Библиографический список
1. Кружилин Г.Н. Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме / Г.Н. Кружилин, Е.В. Лыков // ЖТФ. - 2000. - Т. 70. - № 2. - С.16-19.
2. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - М.: Атомиздат, 1979. - 306 с.
3. Lykov E.V. Thermoacoustick effects in surface boiling liquids // Int. J. Heat Mass Transfer. -1972. -V. 15. - P. 1603-1614.
4. Романов B.B. Исследование процесса кипения и испарения бинарных смесей жидкостей / В.В. Романов // Аэрогидродинамика и тепломассообмен: тр. междунар. науч.-техн. конф. по авиакосмическим технологиям. - Воронеж, 2005. - Ч. 2. - С.14-19.
Материал поступил в редакцию 24.01.2012.
References
1. Kruzhilin G.N. Kriticheskaya teplovaya nagruzka pri kipenii zhidkosti v bol'shom ob"yome / G.N. Kruzhilin, E.V. Ly' kov // ZhTF. - 2000. - T. 70. - № 2. - S.16-19. - In Russian.
2. Kutateladze S.S. Osnovy' teorii teploobmena / S.S. Kutateladze. - M.: Atomizdat, 1979. -306 s. - In Russian.
3. Lykov E.V. Thermoacoustick effects in surface boiling liquids // Int. J. Heat Mass Transfer. -1972. -V. 15. - P. 1603-1614.
4. Romanov V.V. Issledovanie processa kipeniya i ispareniya binarny'x smesej zhidkostej / V.V. Romanov // Ae'rogidrodinamika i teplomassoobmen: tr. mezhdunar. nauch.-texn. konf. po avia-kosmicheskim texnologiyam. - Voronezh, 2005. - Ch. 2. - S.14-19. - In Russian.
INTERCONNECTION BETWEEN EVAPORATION RATE
AND CRITICAL DENSITY OF HEAT FLOW OF BOILING BINARY LIQUID MIXTURES
V.V. ROMANOV
(Don State Technical University)
The experimental comparisons between the critical heat flux values under the unsaturated boiling of water-ethanol and water-isoamyl alcohol binary mixtures, and the external evaporation rates of the corresponding liquid weights are presented. The physical analogue of the liquid boiling crisis origination is offered.
Keywords: boiling crisis, critical density of heat flow, specific vapor velocity.
