Сопоставление процессов переноса при пленочном кипении с недогревом на обращенных вниз поверхностях *

Ивочкин Ю.П.¹, Крюков А.П.², Кубриков К.Г.¹, Пузина Ю.Ю.²

Институт Высоких Температур Российской Академии Наук (1)
Московский энергетический институт (технический университет) (2)

Постановка задачи

Рассматривается нагреватель радиусом R_w, погруженный в воду (рис. 1), температура которой T_b в общем случае ниже температуры, соответствующей по линии насыщения давлению над свободной поверхностью жидкости P_b. Температура нагревателя T_w такова, что на его поверхности образуется паровая пленка. Форма межфазной поверхности описывается в цилиндрической системе координат r – z, за начало отсчета принята нижняя точка межфазной поверхности, расположенная на оси симметрии.

Рис. 1. Схема рабочего участка: а) полусфера; б) цилиндр.

Отличием задачи с цилиндрическим нагревателем является наличие дополнительного независимого геометрического параметра – глубины погружения нагревателя h_w.

Экспериментальная установка

Упрощенная схема экспериментальной установки для исследования пленочного и переходного кипения на плоских нагревателях, погружаемых в воду (вода недогрета до температуры насыщения) показаны на рис.2. Эксперимент происходил следующим образом. В исходном состоянии рабочий участок 12 (рис.2) нагревался на воздухе или в атмосфере аргона, причем максимальная температура нагрева не превышала 800 °С. Затем электрический нагреватель 6 отключался, а рабочий участок (латунный цилиндр с плоским торцевым окончанием) с помощью специального координатного устройства со скоростью несколько десятых долей миллиметра в секунду приближался (опускался) к плоской водной поверхности. В опытах исследовались явления, сопровождающие образование паровой пленки при медленном погружении нагретого тела. Стеклянная ванна с дистиллированной водой 14 была размещена в другой стеклянной ванне 13, заполненной инертным газом – аргоном. Узел установки 9, на котором крепился рабочий участок, был изготовлен на основе прецизионного координатного устройства от горизонтального микроскопа типа МГ. Это позволило погружать нагреватель в воду с шагом 2 мкм и улучшить плавность его хода, т.е. существенным образом уменьшить вибрации, вызванные перемещением координатного устройства.

Отличительной чертой проведенных опытов было измерение давления в самой паровой пленке, как в условиях пленочного, так и переходного кипения. Для этого был разработан рабочий участок, в котором исследуемая паровая полость с помощью импульсной линии соединена с датчиком давления. Нагреваемый элемент рабочего участка выполнен в форме цилиндра диаметром 10 мм с плоским торцевым окончанием. На изготовленном из латуни Л62 цилиндре расположен спиральный нагреватель. В качестве материала нагревательного элемента были использованы два не соприкасающихся друг с другом провода (хромель, алюмель), которые были покрыты высокотемпературным изолятором и размещались в капилляре из нержавеющей стали. Для внешней теплоизоляции нагревателя использовался высокотемпературный цемент марки ВГКЦ-75-0.5. Описанная конструкция позволила повысить надежность работы опытного участка в условиях повышенной влажности и предотвратить возможность электрического замыкания спирали на горячий цилиндрический сердечник нагревателя.

Рис.2. Упрощенная схема экспериментальной установки.
1 – манометр; 2 – видеокамера; 3 – вентиль; 4 – пьезоэлектрический датчик давления;
5 – сосуд Дюара; 6 – усилитель зарядов; 7 – термопарный усилитель;
8 – компьютер (системный блок фирмы National Instruments); 9 – координатное устройство;
10 – видеокамера; 11 – баллон с аргоном; 12 – рабочий участок;
13 – прозрачный сосуд с аргоном; 14 – прозрачный сосуд с водой

Визуальное наблюдение исследуемых явлений осуществлялось с использованием микроскопов. Видеосъемка пленочного и переходного кипения проводилась с помощью цифровых видеокамер Cannon (тип MV500) и Redlike (тип MotionScope1000). Скоростная видеокамера MotionScope1000 позволяет снимать процесс с максимальной скоростью 1000 кадр/c и минимальным временем экспозиции 1/8000с.

Опыты в открытом сосуде (т.е. при атмосферном давлении) были выполнены при начальных температурах воды и нагретой поверхности 20 и 600°С, соответственно. Характерное значение величины удельного теплового потока qw составляло 4·10⁵ Вт/м². Температуры латунного цилиндра на различных его участках, а также значение теплового потока определялись по показаниям хромель—алюмелевых и хромель–копелевых термопар, соединенных по трехпроводной схеме, что позволило существенным образом повысить точность тепловых измерений. Нижняя термопара была заложена на расстоянии ~ 0.5 мм от торца нагревателя. В центре цилиндра вдоль всей его длины (~120 мм) расположено сквозное отверстие диаметром 2 мм, предназначенное для отбора давления с торцевой поверхности при пленочном кипении. Это отверстие связывает паровую полость с датчиками давления. В качестве измерителя квазистационарного давления при спокойном пленочном кипении использовался U – образный манометр, а для фиксации перепада давления, ввиду малости его значения (~ мм водяного столба), использовались методы, основанные на регистрации перемещения мениска наклонного манометра с помощью либо катетометра, либо цифровой видеокамеры, с последующей обработкой видеоматериала на компьютере. Исследования быстрых нестационарных процессов осуществлялись с использованием программного продукта Labview, пьезоэлектрическим датчиком давления фирмы Kistler, работающим совместно с усилителем зарядов и измерительной аппаратурой фирмы National Instruments.

Анализ результатов

Методика расчета формы межфазной поверхности, основанная на сочетании методов механики сплошной среды и молекулярно-кинетической теории, позволяет определить характеристики тепломассопереноса при пленочном кипении недогретой жидкости на полусфере и обращенной вниз торцевой поверхности цилиндра. Сравнение численных данных проводится при выбранной температуре нагревателя T_w = 700°C (табл. 1), причем в первом приближении считается, что теплота в паре распространяется теплопроводностью. При этом доля поступающего от нагревателя к межфазной поверхности теплового потока на испарение для полусферы определяется в результате решения, тогда как для цилиндра рассматриваются предельные ситуации: полного испарения и отсутствия массового потока с границы раздела фаз пар – жидкость.

Таблица 1. Сравнение характеристик тепломассопереноса при пленочном кипении на полусфере и торцевой поверхности цилиндра.

	Полусфера	Цилиндр
Tw, °С	700	700
Rw, 10-3 м	5	5
hw, 10-3 м	-	1
γ	0.748	0	1
h0, 10-3 м	5.23	2.12	1.82
δ0, 10-3м	0.233	1.12	0.82
qw0, 105 Вт/м2	1.5	0.294	0.401
К0, 1/м	185	3.89	2.72
(P0''–Pb), Па	73	22	19

Как видно из представленных данных, различия величин тепловых потоков q_w0 и соответствующей разности давлений (P₀''–P_b) довольно значительны, что обусловлено более глубоким расположением нижней точки нагревателя для полусферы. Это определяет расхождение геометрических параметров поверхностей в лобовой точке: кривизны и толщины паровой пленки. Тем не менее, общий вид межфазной поверхности сохраняет качественные особенности, характерные для задач подобного типа (рис. 3). В нижней точке межфазная поверхность является вогнутой, тогда как по мере приближения к уровню свободной поверхности жидкости кривизна уменьшается и меняет знак, то есть поверхность становится выпуклой. Происходит плавный переход от наклонной поверхности к горизонтальной плоскости. Расхождение кривых (1) и (2), а именно более широкая область деформации жидкости, обусловлено как раз различиями в геометрии нагревателей: кромка плоского торцевого окончания цилиндра существенно выступает относительно полусферической поверхности, которая в свою очередь по постановке задачи располагается значительно глубже.

Рис. 3. Зависимость отношения z/h₀ от радиуса: 1 – полусфера; 2 – цилиндр (γ=0).

Последнее можно проиллюстрировать различной тенденцией изменения безразмерной толщины паровой пленки по мере удаления от оси симметрии (рис. 4). Для полусферы эта зависимость носит монотонный характер, чем ближе к поверхности, тем толщина паровой пленки больше. Что касается цилиндра, то здесь ограничение плоской поверхностью приводит к тому, что толщина паровой пленки уменьшается по мере приближения к кромке, а затем уже начинает увеличиваться, причем зависимости (1) и (2) практически эквидестантные.

Рис. 4. Зависимость отношения δ/δ₀ от радиуса: 1 – полусфера; 2 – цилиндр (γ=0).

Сопоставление данных для предельных случаев проницаемости границы раздела фаз пар – жидкость для потока массы (рис. 5) показывает, что в целом расхождение характерных величин не является принципиальным (табл. 1). Толщина паровой пленки в лобовой точке колеблется в пределах 30% при изменении доли теплового потока на испарение. Тем не менее, полученный результат ограничивает область существования устойчивой паровой пленки при выбранных исходных данных. В дальнейшем включение уравнения, описывающего движение пара в пленке, позволит более точно определить гидравлическое сопротивление канала, образованного проницаемой для потока массы межфазной поверхностью и непроницаемой стенкой нагревателя. При решении задачи с полусферическим нагревателем в первом приближении используется уравнение одномерного стационарного ламинарного нестабилизированного течения в трубе, что позволяет получить удовлетворительное согласование с экспериментальными данными.

Рис. 5. Зависимость z(r) для разной испаряемости с границы раздела фаз пар – жидкость:
1 – цилиндр (γ=0); 2 – цилиндр (γ=1); 3 – очертания нагревателя.

Применение неравновесного граничного условия позволяет решать сопряженные задачи. При этом «кинетическая добавка», обусловленная действием теплового потока на межфазной поверхности пар – жидкость, определяет не разность давления жидкости и актуального давления пара, а связывает последнюю величину с линией насыщения, а именно с давлением, соответствующим по линии насыщения температуре жидкости вблизи границы раздела фаз.

Заключение

Результаты исследований характеристик пленочного кипения на обращенных вниз нагретых поверхностях в условиях недогрева показывают, что форма межфазной поверхности имеет сложное очертание с точкой перегиба вблизи свободной поверхности и плавным выходом на зеркало жидкости. Статическое давление внутри парового слоя в пределах погрешности эксперимента, определяется глубиной погружения исследовательского образца в воду (т.е. гидростатическим давлением). Концентрация растворенных газов и температура нагретой жидкости влияет на стабильность паровой пленки.

Список литературы по тематике исследований

1. Экспериментальное исследование смены режимов кипения на сильно перегретой полусфере, погруженной в недогретую жидкость / Глазков В.В., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Корякин С.А., Синкевич О.А., Цой В.Р. // Труды Третьей Российской Национальной конференции по теплообмену. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – Т. 4. – С. 72–75.

2. Certain features of film boiling on a solid hemispherical surface / V.S. Grigoriev, Yu.P. Ivochkin, A.P. Kryukov Yu.A. Zeigarnik, V.G. Zhilin // 3rd International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. – Italy, Piza, 2004. – Vol.2. – P.1271–1277.

3. Исследование особенностей развития и схода паровой пленки на полусферических поверхностях / Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Кубриков К.Г. // CD-ROM publications. Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. – Мн.: ГНУ «ИТМО им.А.В. Лыкова» НАНБ, 2004. – 5-17

4. Григорьев В.С., Жилин В.Г., Зейгарник Ю.А., Ивочкин Ю.П., Глазков В.В., Синкевич О.А. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // ТВТ. – 2005. – Т.43, №1. – С.100–114.

5. Селянинова Ю.Ю. Крюков А.П. Определение формы осесимметричной межфазной поверхности в сильнонеравновесных условиях // Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». – М.: Издательство МЭИ, 2005. – Т. 1. – С. 272–275.

6. Ивочкин Ю.П., Кубриков К.Г. Поведение паровой пленки на обращенных вниз полусферических и плоских нагревателях, погруженных в холодную воду. // Труды XV Школы–семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». – М.: Издательство МЭИ, 2005, – Т. 1. – С. 200 – 203.

7. Крюков А.П., Селянинова Ю.Ю., Влияние процессов тепломассопереноса на кривизну границы раздела фаз пар – жидкость. // CD-ROM publications. XXVIII Сибирский теплофизический семинар. – Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2005. – Д-059.

8. Крюков А.П., Селянинова Ю.Ю. Форма межфазной поверхности при пленочном кипении воды на полусфере. // Труды Четвертой Российской Национальной Конференции по Теплообмену. – М.: Издательство МЭИ, 2006. – Т. 4. – С. 155–158.

9. Пузина Ю.Ю., Ивочкин Ю.П. Изменение кривизны границы раздела фаз пар – жидкость под действием теплового потока // Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». – М.: Издательство МЭИ, 2007. – Т. 1. – С. 486–489.

10. Кубриков К.Г., Ивочкин Ю.П. Экспериментальное исследование характеристик пленочного и переходного кипения на нагретых полусферических поверхностях // Труды XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». – М.: Издательство МЭИ, 2007. – Т. 1. – С. 438–441.

Список обозначений

γ – доля теплового потока на испарение;
δ – толщина пленки, м;
h – вертикальное расстояние от зеркала жидкости до межфазной поверхности, м;
K – кривизна поверхности, 1/м;
Р – давление, Па;
q – плотность теплового потока, Вт/м²;
R_i – радиус, м;
r – радиальная координата, м;
T – температура, К;
z – вертикальная координата, м.
Индексы:
b – параметры на удалении;
w – параметры нагревателя;
0 – на оси z;
'' – параметры пара.

Благодарности

Эта страница оформлена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты №06-08-01486 и №08-08-00638).

* Kryukov A.P., Puzina Yu.Yu. Transfer processes at the film boiling on the downward heated surface. // Proceedings of the 20-th International Symposium on Transport Phenomena. – Victoria, British Columbia, Canada, July 7–10 2009. – Сборник на компакт-диске. – #96.

Следующая страница: Прогиб межфазной поверхности при пленочном кипении на обращенной вниз торцевой поверхности цилиндра