Экспериментальное исследование фронтов испарения при гетерогенном вскипании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Овчинников, Валерий Викторович

• Овчинников, Валерий Викторович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Овчинников, Валерий Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список принятых обозначений

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДИНАМИКЕ ВСКИПАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Методика проведения опытов

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

3.1. Опыты с органическими жид костями при квазистационарном

подводе тепла

3.2. Опыты с водой на рабочем участке диаметром 2.5 мм

3.3. Опыты по вскипанию при давлениях выше атмосферного

3.4. Опыта на рабочем участке, расположенном вертикально

3.5. Исследование динамики гетерогенного вскипания жидкости при перефевах близких к предельным

3.6. Опыты по вскипанию при высоких недогревах жидкости до температуры насыщения

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Модели для описания процесса распространения фронта

испарения по нагревателю

4.2. Особенности применения "электротермографического" метода,

при определении скорости распространения фронта испарения

4.3. О форме растущего парового образования после появления

фронтов испарения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Список принятых обозначений

А коэффициент в формулах, размерность произвольная:

а коэффициент температуропроводности, м2/с;

ац.; переводной коэффициент для датчика электрического тока, А/В;

В коэффициент в формулах, размерность произвольная;

Ъ эмпирический коэффициент в формулах, размерность произвольная;

Сь коэффициент при степени в законе роста парового образования в поперечном

направлении, мм/с5;

с" скорость звука в паре, м/с;

Ср удельная теплоёмкость, Дж/кг;

Цп внутренний диаметр рабочего участка, мм;

Е>н наружный диаметр рабочего участка, мм;

% ускорение силы тяжести, 9.8065 м/с2;

О критерий Гиббса, безразмерное;

От число Грасгофа, безразмерное;

Б расстояние от центра парового образования до фронта конденсации, мм;

1 !

Рь расстояние от центра парового образования до левого фронта конденсации, мм;

Ря расстояние от центра парового образования до правого фронта конденсации, мм;

Н удельная теплота парообразования, Дж/кг,

Ь радиус первичного парового пузыря (половина поперечного размера парового

образования в сечении возникновения парового пузыря), мм;

Ьь высота уровня жидкости над рабочим участком, мм;

} поток массы вещества, кг/(м2,с);

1а число Якоба, безразмерное;

& электрический ток через рабочий участок, А;

к постоянная

Больцмана, 1.38- КГ" Дж/К;

Ь расстояние от центра парового образования до фронта испарения, мм;

Ьь расстояние от центра парового образования до левого фронта испарения, мм;

Ьн длина рабочего участка, мм;

Ья расстояние от центра парового образования до правого фронта испарения, мм;

Ме молекулярный вес, кг/кмоль;

пк масса молекулы, кг,

N выделяемая мощность на рабочем участке, Вт;

и число реализаций, безразмерное;

Ига число молекул в единице объёма, 1/м3;

N11 число Нуссельта, безразмерное;

Р давление, Па;

Р3 давление насыщения. Па;

Ру давление в рабочем объёме, Па;

Ре число Пекле, безразмерное;

<3 теплота, Дж;

q тепловой поток через поверхность, Вт/м ;

ра мощность выделяемая в рабочем участке отнесенная к единице поверхности, Вт/м2;

К электрическое сопротивление, Ом;

г радиус, м;

П радиус кривизны фронта испарения, м;

Гег критический радиус парового пузыря, м;

На число Ралея, безразмерное;

Яе число РеЙнольдса, безразмерное; .

Ко универсальная газовая постоянная, 8314 Дж/(К-кмоль);

Зад площадь поверхности рабочего участка,

м2:

«г показатель степени в степенной зависимости для роста парового образования в

продольном направлении, безразмерное;

йь показатель степени в степенной зависимости для роста парового образования в

поперечном направлении, безразмерное;

Т температура, К;

Та средняя температура рабочего участка, К;

Т5 температура насыщения, К;

Т1 температура жидкости на уровне рабочего участка, К;

Т« температура поверхности рабочего участка, К;

г время, сек;

^ время прихода волны разряжения к акустическому датчику, сек;

1ь время ожидания вскипания, сек;

^ время появления фронтов испарения, сек;

^ время прохождения фронтом испарения координаты проекции центра

акустического датчика, сек;

и электрическое напряжение, В;

и скорость, м/с;

Иы падение электрического напряжения на рабочем участке, В;

11т терме Э.Д.С термопары, мкВ;

V скорость, м/с;

У{ скорость фронта испарения, м/с;

У£соп скорость фронта конденсации, м/с;

У£у скорость фронта испарения, м/с;

ш вероятность, безразмерное,

\¥* работа для образования парового зародыша критического размера, Дж;

х продольная координата на рабочем участке, мм;

X продольная координата на кинокадре, мм;

ха продольная координата проекции центра акустического датчика на рабочий участке, мм;

хь продольная координата места вскипания на рабочем участке, мм;

ха продольная координата левого фронта вскипания на рабочем участке, мм;

/

Х£ продольная координата правого фронта вскипания на рабочем участке, мм;

у поперечная координата относительно рабочего участка, мм;

У поперечная координата на кинокадре^ мм;

\а коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2"К)[

р коэффициент термического расширения, 1/К;

у показатель адиабаты, безразмерный;

Дт изменение массы, кг;

ДТ5иь=(Тн-Т1) недогрев жидкости до температуры насыщения, К; АТ}=(Т-Т1) перегрев относительно температуры жидкости, К;

ДТ5=(Т-ТЯ) перегрев относительно температуры насыщения, К;

ДУ изменение объёма, м3;

Др изменение акустического давления, Па;

8Т>1 перепад температуры в стенке рабочего участка, К;

толщина теплового слоя, м;

б коэффициент, безразмерный;

0 коэффициент, безразмерный;

X коэффициент теплопроводности, Вт/(К-м);

ц д инамическая вязкость, кг/(м-с);

V кинематическая вязкость, м2/с; р плотность, кг/м3;

а поверхностное натяжение, Н/м;

Т

Ti

верхние

нижние sub N s f w

время, мкс;

время съёмки i кадра на киноплёнке от момента вскипания, мкс (или мс); время одного оборота зеркала скоростной кинокамеры ВСК-5, мкс;

индексы

жидкость на линии насыщения пар на линии насыщения

недогрев рабочий участок

насыщение *

фронт i

стенка i

Обозначения для процесса распространения фронтов испарения

ха - координата проекции центра акустического датчика давления

левый край рабочего участка, Хь г

правый край рабочего участка, х^

К), - координата I места вскипания |

- момент появления фронтов испарения

Растущий первичный пузырёк

Фронт испарения слева

Фронт испарения справа

Размеры растущего двухфазного образования

(2-Ь) продольный размер двухфазного образования

ха - левая координата фронта испарения; Ьь= (ха-хь)

(2-Ь) поперечный размер первичного пузыря

х& - правая координата фронта испарения; (х&-хь)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование фронтов испарения при гетерогенном вскипании»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Кипение жидкостей обеспечивает высокую интенсивность процессов тепло - и массопереноса в современных энергонапряженных технологиях: энергетика, ракетная и лазерная техника, химическая и холодильная промышленность, криогенная техника, микроэлектроника и другие. Кипение - существенно неравновесный процесс и сопряжен с возникновением метастабильвых состояний жидкой фазы. Высокие уровни перегревов жидкости реализуются при процессах, происходящих при паровых взрывах, кризисах теплообмена, переходном режиме кипения. Необходимость создания методов расчёта этих процессов обуславливает практическую значимость исследований динамики распада метаетабильной жидкости.

Высокая интенсивность теплосъёма при пузырьковом кипении сохраняется лишь до определённых плотностей теплового потока, выше; которых происходит ухудшение теплоотдачи (кризис теплообмена). Безаварийная работа устройств с жидкостным теплоносителем в значительной степени определяется правильным выбором режимных параметров, исключающим возможность возникновения кризиса теплообмена. Несмотря на интенсивное исследование кризисов теплообмена при кипении в большом объёме и каналах, не поняты все физические аспекты, обуславливающие это явление. Пониманий его в значительной степени затруднено из-за отсутствия экспериментальных данных, имеющих фундаментальный характер, которые бы явились основой для создания адекватных теоретических моделей.

В 70-х годах было установлено, что в условиях большого объёма может происходить переход от режима однофазной конвекции в жидкости к плёночному кипению, минуя пузырьковый режим кипения. Этот процесс получил название 3 кризис теплоотдачи при кипении в условиях большого объёма. Было установлено, что этот кризис имеет пороговый характер - он возникает при перегревах жидкости около нагревателя выше определённого для данных условий и жидкости. Также было установлено, что процесс распространения парового образования вдоль поверхности нагревателя идёт с большой скоростью (порядка 10м/с). В связи с этим возникла необходимость исследовать динамику распространения парового образования на нагревателе.

Целью работы является:

- Получение новых экспериментальных данных по динамике распада метаетабильной пристенной жидкости в области высоких перегревов.

- Выявление основных механизмов, обуславливающих процесс распада метаетабильной пристенной жидкости.

Научная новизна. В исследованиях автора впервые:

1. Показано, что самоподдерживающиеся фронты испарения, образующиеся при распаде метаетабильной пристенной жидкости, распространятся с постоянной скоростью.

2. Измерены значения скорости фронта испарения для ряда органических жидкостей и воды при субатмосферных давлениях. Для хладона С-318 при давлениях выше атмосферного.

3. Определены значения скорости фронта испарения для бензола и толуола при перегревах близких к предельным.

4. Определены значения скорости фронта испарения для бензола на вертикально расположенном нагревателе.

5. Экспериментально обнаружено, при высоких недогревах жидкости до температуры насыщения, сосуществование фронтов испарения и конденсации.

6. В опытах с водой на поверхности, обеднённой центрами парообразования, при набросе тепловой нагрузки получен переход от режима однофазной конвекции к плёночному кипению. Показано, что механизм формирования паровой пленки в этом случае и третьем кризисе един, несмотря на то, что тепловой поток близок к первому критическому потоку в стационарных условиях.

Научная и практическая ценность. Полученные новые экспериментальные результаты могут быть использованы и уже используются для создания и тестирования моделей и методов расчета, описывающих кризисы кипения, тепловые взрывы.! Автор защищает: !

- Экспериментальные исследования динамики парообразования при гетерогенном вскипании метастабильной жидкости.

- Опытные данные по значениям скорости фронта испарения для ацетона, бензола, воды, толуола, хладона С-318, этанола.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1988, 1992, 1996 гг.), Всесоюзной конференции по теплообмену в парогенераторах (Новосибирск, 1988), 2 Всесоюзной конференции по теплофизике и гидродинамике процессов кипения и конденсации (Рига, 1988), 2 Всесоюзное совещание по теплофизике метастабильных жидкостей (Свердловск, 1989), Всесоюзной конференции молодых исследователей по теплофизике и гидрогазодинамике (Новосибирск, 1989), Всесоюзном семинаре по кризисам теплообмена при кипении (Новосибирск, 1989), 8 Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям при движении двухфазных потоков в элементах энергетических машин и аппаратов (Ленинград, 1990), , Международном совещании по межфазным взаимодействиям в много фазном потоке (Дубровник, Югославия. 1990), Международной конференции по новым достижениям в термогидравлических системах атомных реакторов (Рим, Италия, 1994), 2 Международной конференции по многофазным течениям (Киото, Япония, 1995), 2 Европейской теплофизичеекой и 14 Национальной конференции по теплопередаче (Рим, Италия, 1996), Международном симпозиуме по теплопередаче при кипении

и конденсации (Москва, 1997), 4 Всемирной конференции по экспериментальной теплопередаче, механике жидкости и термодинамике (Брюссель, 1997).

Основные результаты работы опубликованы в журналах: Известия СО АН СССР (серия технических наук), вып. 2, 1989 и вып. 4. 1990; Сибирский физико-технический журнал (теплофизика и тепломассообмен), вып. 1, 1992; Russian Jornal of Engineering thermophysics, Vol. 3, N1, 1993; Теплофизика высоких температур, т.32, №1, 1994; Журнал прикладной механики и технической физики, т.37, №6,1996; Теплофизика и Аэромеханика, т.5, №1,199S.

Автор в течение ряда лет был основным исполнителем экспериментальных исследований по динамике гетерогенного вскипания метастабильвых жидкостей. Постановка задач исследования осуществлена диссертантом в соавторстве с Авксентюком Б.П.. Автору принадлежит разработка методики экспериментов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок, проведении опытов, обработке и интерпретации результатов экспериментов. Эксперименты проводились совместно с Авксентюком Б.П. и Плотниковым ВЛ.

ГДАВА 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ДИНАМИКЕ ВСКИПАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Наиболее завершённой теорией образования паровых пузырей в перегретой жидкости является теория гомогенного зародышеобразования [1-5], которая определяет верхнюю границу для перегревов перед вскипанием. Она оперирует понятием критического зародыша парообразования, которые возникают в жидкости спонтанно, в результате гегерофазных флупуаций. При любой степени перегрева жидкости равновесие с паровым пузырьком неустойчиво - пузырь либо увеличивается в размере или уменьшается. Математически это выражается в том, что термодинамический потенциал системы жидкость - паровой пузырь при равновесии имеет максимальное значение. Такой неустойчиво равновесный паровой пузырёк получил название критический зародыш парообразования. Значение его радиуса даётся уравнением

| (1Л)

где с - поверхностное натяжение, Р - давление пара в пузырьке, Ру - давление в жидкости. Условия для механического равновесия пузырька сводится к этому же уравнению. Гиббсом [6]

впервые получено выражение для работы образования критического зародыша

|

\¥, =->—— =-

'.-¿Г

V Р7 , (1.2)

где Р8 - давление насыщенных паров, р', р" - плотность пара и жидкости, соответственно. Им предложено рассматривать как в качестве меры устойчивости метастабильного состояния.

В стационарном случае теория гомогенного зародышеобразования дает следующее выражение для частоты образования жизнеспособных зародышей паровой фазы в однородной однокомпоненгной жидкости при температуре Т

1 = пт.В.ехр(-0), (1.3)

ТО.

где 1%, число молекул в единице объёма жидкости, О =--критерий Гиооса, кинетический

к-Т

коэффициент В по [ 1] равен

в, |-г-г-^ а.4)

где % - масса молекулы, к постоянная Больцмана, Н - теплота парообразования в расчете на одну молекулу. Эта теория рассматривает лишь стадию зарождения паровых пузырьков. Пузырьки критического размера как бы удаляются из системы и заменяются соответствующей массой жидкости. Работы [7-9] развивают теорию гомогенного зародышеобразования и дают примеры её применения для решения ряда практических проблем.

В экспериментах имеет место, как правило гетерогенное зародышеобразование [10,11], даже когда наблюдается хорошее согласие опытных данных по перегревам с расчетами по гомогенной теории микрофотографирование процесса вскипания показывает гетерогенную нуклеацию.

Теоретическое решение проблемы зародышеобразования при гетерогенном вскипании сильно усложнено большим количеством факторов влияющих на процесс: свойства поверхности нагрева, неоднородность температурного поля у поверхности, гидродинамикой жидкости, наличие примесей, газа в жидкости и на поверхности нагревателя в михро углублениях, и другие факторы. Число центров кипения в конкретном опыте так же зависит от предыстории и способов, которыми достигается перегрев поверхности и жидкости и поэтому число центров кипения может меняться со временем при проведении опытов [12,13].

Как правило влияние большинства факторов приводит к существенному снижению перегрева перед вскипанием в сравнению с предельными перегревами. Например, в работе [14] для воды при атмосферном давлении перед активацией первого центра парообразования перегрев составил всего 2-3 К. При субатмосферных давлениях процесс начального образования паровой фазы несколько затруднен и вскипание происходит при более высоких перегревах. Но и в этом случае наблюдаемые перегревы перед вскипанием оказывались существенно ниже предельных

,перегревов и, например, для воды и этанола не превышали 50 К [ 15].

!

В работе [16] приведены результаты исследований перегревов перед вскипанием органических жидкостей при атмосферном давлении на стеклянной поверхности при квазистационарном подводе тепла. Авторы добились довольно высоких значения перегревов. Для разных жидкостей они составили от 60 до 118 К. Проведённые визуальные наблюдения динамики вскипания для этих условий показали, что вскипание носило взрывообразный характер, возникало много центров парообразования по всей поверхности нагрева одновременно.

Снижение перегревов жидкости при гетерогенном вскипании обусловлено в первую очередь существованием (на поверхности нагрева) готовых центров парообразования - парогазовых пузырьков в объёме жидкости или во впадинах на смоченных жидкостью поверхностях [12]. Парообразование на готовых центрах происходит без преодоления энергетического барьера, когда радиус кривизны поверхности жидкость пар такого центра становится больше радиуса критического зародыша [9]. Радиус критического зародыша в этом случае равен радиусу устья впадины [12], являющейся центром парообразования, и определяется выражением:

г =-i 1.5>

Н • р" - ATS 1 '

где Н - теплота парообразования, Т^ - температура насыщения, ДТ8 - перегрев жидкости относительно температуры насыщения.

Наилучшее согласие расчетов по формуле (1.5) наблюдается с опытными данными полученными в изотермических условиях [14]. При неравномерном поле температур у поверхности нагрева те же самые центры становятся активными при более высоких перегревах, чем даёт расчёт по (1.5). Сю [17] предложена модель для активации готового центра парообразования в неизотермических условиях. В предположении, что пузырь на впадине с

радиусом устья г может возникнуть лишь в том случае-, если перегрев, рассчитанный по формуле (1.5), будет достигнут на расстоянии от греющей поверхности, равном величине Было получено выражение дня оценки максимального Гщ^ и минимального rw;n радиусов активных впадин на тешюотдающей поверхности. Для случая, когда температура поверхности Tw = const

г = + fl- 1 (16) 2 2.Ц V i Н-р"-ДТ-Sjj. J

где 5th - толщина теплового слоя, и Ь2 - постоянные, определяемые из опыта.

Таким образом, в реальных условиях имеет место, как правило, гетерогенное вскипание. Вскипание жидкости происходит в виде образования отдельных паровых пузырей на активных центрах поверхности нагревателя. Подробные изложения проблемы роста одиночного парового пузыря в равномерно перегретой безграничной жидкости и на греющей поверхности даны в монографиях [12,13,18,19,20], и в обзоре [21].

В работах [22-25] при значениях перегревов перед вскипанием выше пороговых было обнаружено качественное изменение структуры парообразования в метастабильной перегретой жидкости. У основания возникшего на поверхности рабочего участка пузыря формировались конусообразные фронты вскипания, которые распространялись вдоль поверхности нагрева, скоростные киносъёмки (до 4000 кадр/с) позволшга более детально проследить это явление. Сначала фронты вскипания от первичного пузыре распространялись по всей теплоотдающей поверхности нагревателя, нагреватель с остаточным на нем слоем жидкости окутывался паром, препятствуя подтеканию к нагревателю жидкости. Далее происходил рост парового образования за пределы кадра. Высокая скорость роста парового образования существенно увеличивала инерцию присоединённой массы жидкости, что приводило к перерасширению парового объёма по отношению к равновесному. Поэтому фаза расширения сменялась фазой сжатия парового образования, формирования парового пузыря. В это время на части нагревателя уже можно видеть паровую плёнку. Через некоторый интервал времени сформировавшийся большой пузырь отрывался от нагревателя, после чего теплосьём осуществлялся в режиме плёночного кипения. Продолжительность всего процесса от зарождения паровой фазы до плёночного кипения составляла порядка 0.1 сек. Вырождение пузырькового режима кипения при переходе от однофазной конвекции в жидкости к плёночному кипению было исследовано для органических жидкостей ( этанол, бензол, четырёххлористын углерод) и щелочных металлов (калий, цезий) на рабочих участках различных диаметров. Экспериментально показано, что явление вырождение пузырькового режима кипения (3 кризис теплоотдачи при кипении в условиях большого объёма) может происходить при давлениях выше атмосферного. Механизм этого явления для металлических и органических жидкостей одинаков. Скорость фронтов вскипания оценивалась как 10 м/с, специально измерений скорости фронтов испарения не проводилось. Распространение фронтов вскипания всегда предшествовало 3 кризису теплоотдачи при кипения в условиях большого объёма.

В работах [26,27] Авксенпоком Б.П. и Кутателадзе С.С. предложена модель для описания 3 кризиса теплоотдачи при кипении в предположении, что происходит инициирование растущими

пузырями в своей окрестности других пузырей. Вероятность фдухтационного возникновения паровой фазы в объеме перегретой жидкости определяется формулой

чу и ехр(\У,/кТ), где работа образования критического зародыша пара. Предельные

перегревы оцениваются по упрощенной зависимости Ш,/кТ и 90 для формулы (1.2)

Перегревы, при которых реализуется третий кризис теплоотдачи существенно ниже предельных перегревов жидкости. Вероятность флуктуационного вскипания мала и пузыри образуются на готовых, слабых центрах поверхности нагрева. Предполагая, что паровой пузырь, возникший на поверхности нагрева, при своем росте вносит в окружающую его жидкость возмущения в виде излучения волн давления. Оценка для изменения давления находится из уравнения Релея.

Третий кризис теплоотдачи имеет место лишь после достижения определенных перегревов поверхности нагрева, поэтому определяющими процесс являются максимальные значения изменения давления: ДР^, = р' Необходимые условия для образования критических

: зародышей, по-видимому, создаются в волне разрежения, следующей за волной сжатия.

Используя зависимость Лабунцова для скорости роста парового пузыря критических

/

I с;.р'-дт |

размеров определяется Ч^ = 0.3-а' •!—--, а условие генерации паровой фазы

записывается в виде |

17--^ = 90 ! (1.7)

здесь а - температурапроводность, Ср - теплоёмкость, В и Ь коэффициенты принимаемые в расчетах равными: В =1.0, Ъ =1.0 или 0.3. Для В =1.0, и Ь =0.3 результаты расчетов дают для калия ДТцйп = 139 К, при экспериментальном значении порогового перегрева для третьего кризиса АТяпп = 130 К, для бензола ДТщ^ = 102 К, три экспериментальном значении порогового перегрева для третьего кризиса АТщ^ = 100 К, и для этанола ДТщ^ = 85 К, при экспериментальном значении порогового перегрева для третьего кризиса ДТ^ = 90 К.

При рассмотрении условий формирования паровой пленки при цепном процессе вскипания, предполагается что расстояние между критическими зародышами было, по крайней мере, порядка диаметра выросшего парового пузыря. В итоге получается расчетная зависимость для пороговых значений перегревов теплоотдающей поверхности, выше которых возникает третий кризис теплообмена

_ 380-о7Лв-Т51/2-[8-(р'-р")13/16

— -;-г-^т-=--(1.8)

(с;-я/) у3'®

где X - теплопроводность, § - ускорение свободного падения.

В работе [28] при исследовании кризисов теплоотдачи в азоте в условиях нестационарного тепловыделения на цилиндрическом нагревателе наблюдалось распространение фронта вскипания по теплоотдающей поверхности. В работах [29,30] проводились эксперименты в азоте на линии насыщения при атмосферном давлении на тонких проволочках из стали 12Х18Н10Т

различного диаметра. В зависимости от величины теплового потока q наблюдался различный характер эволюции паровых образований. В том числе наблюдался режим непосредственного перехода от однофазного теплообмена в жидкости к плёночному кипению - третий кризис теплообмена. При этом происходило распространение фронтов вскипания по рабочему участку.

Парообразование в виде фронтов вскипания при глубоком заходе в метастабильную область жидкости при нестационарном подводе тепла на плоском нагревателе наблюдалось в работе Козава и Акои [31]. В работе приведены данные по измерению во времени продольного размера парового образования для хладона - 113 при ступенчатом тепловыделении. Паровое образование имело вид "соломенной шляпы'1 - полусферической формы пузырь, окружённый тонкой паровой плёнкой по краям. Скорость продвижения межфазной поверхности вдоль нагревателя была постоянна во времени. Однако в работе не указаны значение перегрева перед вскипанием, величина набрасываемой тепловой нагрузки, время до начала парообразования.

Шепхерд и Стуртеванг [32] провели экспериментальные исследования динамики роста парового пузыря в капле бутана, нагретой до температуры близкой к предельной при атмосферном давлении и обнаружили, что при высокой интенсивности испарения поверхность раздела жидкость - пар неустойчива. Неустойчивость деформирует поверхность пузыря, делая её шероховатой. При диаметре пузыря 150 мкм линейный масштаб возмущений составлял 20 -ь 40 мкм. Шепхерд и Стуртеванг из обработки фотографий процесса вскипания, снятых при различных временах задержки, установили, что эффективный радиус пузыря с деформированной вследствие неустойчивости поверхностью растёт Линейно во времени. Скорость его роста при перегреве 105.5 К и атмосферном давлении составила 14.3 м/с.

Таким образом, при гетерогенном вскипании при превышении порогового перегрева наблюдаются фронты испарения для органических и криогенных жидкостей, от субагмосферных давлений и до давлений превышающих атмосферное. По-видимому, возникновение фронтов испарения носит универсальный характер и играет важную роль при возникновении третьего кризиса теплоотдачи при кипении. Однако в литературе отсутствуют количественные данные по скорости роста паровых образований, когда возникают фронты испарения. Также отсутствуют сведения о возможности возникновения фронтов испарения и третьего кризиса теплоотдачи для воды, наиболее широко применяемой в технической практике жидкости.

В связи с изложенным в данной работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработка методики проведения высокоскоростной киносъёмки для исследования динамики процесса парообразования.

2. Исследование динамики процесса парообразования для органических жидкостей при перегревах от пороговых, когда появляются фронты испарения, до предельных.

3. Исследование динамики процесса парообразования для воды при высоких перегревах.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Овчинников, Валерий Викторович

Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах [62 - 88]. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ

1. Экспериментально установлено, что самоподдерживающиеся фронты испарения, образующиеся при распаде метастабильной пристенной жидкости, распространятся с постоянной скоростью. Измерены значения скорости фронта испарения для органических жидкостей и воды при субатмосферных давлениях и при давлениях выше атмосферного

2. Экспериментально исследовано влияние режимных параметров: перегревов перед вскипанием (от пороговых до близких к предельным), давления, недогрева жидкости до температуры насыщения на скорость распространения фронтов испарения.

3. Экспериментально обнаружено при высоких недогревах жидкости до температуры насыщения сосуществование фронтов испарения и конденсации.

4. Экспериментально установлено, что для воды при набросе тепловой нагрузки возможен переход от режима однофазной конвекции, к плёночному кипению минуя пузырьковый режим кипения. Показано, что механизм формирования паровой пленки в этом случае и третьем кризисе един, несмотря на то, что тепловой поток близок к первому критическому потоку в стационарных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Овчинников, Валерий Викторович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Döring W. Die iTberhitzungsgreoze und Zerreibiestigkeit von Flüssigkeiten. Z. Phys. Chem. -1937. -Bd 36, N5/6. pp. 371-386.

2. Volmer M. Kinetik der Phasenbildung. - Dresden - Leipzig: Steinkopf Verl., 1939. - 220 p.

3. Каган Ю. О кинетике кипения чистой жидкости. // Журн физ. химии. - 1960. - Т. 34, № 1. - с. 92101.

4. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. - Л. : Наука, 1975. - 592 с.

5. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. - 3VL Наука, 1984. - 374 с.

6. Гибсс Дж.В. Термодинамика. Статистическая механика. - М.: Наука, 1982. - 584 с.

7. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. - М.: Наука, 1972. - 312 с.

8. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии: Справочник // Скрипов, E.H. Синицын, П. А. Павлов и др. - М.: Атомиздат, 1980. - 208 с.

9. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей. - Свердловск: УрО АН СССР, 1988. - 248 с.

10. Синицин E.H. Об интерпретации опытов по вскипанию перегретой жидкости в стеклянных капиллярах. Теплофизические свойства мегастабильных систем. - Свердловск: УрО АН СССР, 1984. -с. 61-67.

11. Смоляк Б.М., Павлов П.А. О гетерогенном зародыше образовании при перегреве воды в "чистых" условиях. Термодинамические свойства мегастабильных систем и кинетика фазовых превращений. - Свердловск: УрО АН СССР, 1985. -с. 44-49.

12. Несис Е.И. Кипение жидкостей. - М.: Наука, 1973. - 280 с.

13. Двайер О. Теплообмен при кипении жидких металлов. - М.: Мир, 1980. - 516 с.

14. Griffith Р., Wallis. The role of surface condition in nucleate boiling. // Chem. Eng. Prog. Symp. Series. -1960. - Vol. 56, N 30. - p/49-63.

15. Лабунцов Д.А., Ягов B.B., Городов A.K. Экспериментальное определение температурного напора начала кипения воды и этанола в области низких давлений. // Кипение и конденсация. - Рига: Риж. политехи, ин-т, 1977, вып. 1.-е. 16-23.

16. Sinha D.B., Jalaluddin F.K. On the superheat of liquids, tl Indian J. Phys. - 1961. - vol. 35, N 6. - p. 311

17. Сю У.У. О предельных размерах впадин на поверхности нагрева, являющихся активными центрами парообразования. // Тр. Амер. об-ва инж.-мех. Теплопередача, - 1962. - Т. 84, № 3. -с. 1829.

21. Лабунцов Д.А. Современные представления о механизме пузырькового кипения. Теплообмен и физическая газодинамика. - М.: Наука, 1974. - с. 98-115.

22. Авксенпок Б.П., Бобрович Г.И., Кутателадзе С.С., Москвичёва В.Н. О вырождении режима пузырькового кипения в условиях свободной конвекции. II Журн. прик. механики и техн. физики. -1972. -№1. - с. 69-73.

23. Авксенгкж Б.П. Экспериментальное исследование кризисов теплообмена при кипении щелочных металлов в условиях свободной конвекции. Диссер. на соискание ученой степени канд. тех. наук. -1972. - Новосибирск Институт теплофизики СО АН СССР. 170 стр

24. Kutateladze S.S., Moskvicheva V.N., Bobrovich G.J., Mamontova N.N., Avkseniyuk B.P. Some peculiarities of heat transfer crisis in alkali metals boiling under free convection. // Inter. J. Heat Mass Transfer. -1973. - Vol. 16. - pp. 705-713.

25. Avksentyuk B.P., Mamontova N.N. Characteristics of heat transfer crisis during boiling of alkali metals and organic fluids under free convection condition at reduced pressure. // Progress in Heat and Mass Transfer. - 1973. - Vol. 7. - pp. 355-363.

26. Авксенпок Б.П., Кутателадзе C.C., Неустойчивость режима теплообмена на поверхностях обеднённых центрами парообразования. // Теплофизика высоких температур - 1977. - Т. 15., № 1 - с. 115-120.

27. Авксенпок Б.П. Некоторые вопросы кризисов теплообмена при кипении в условиях естественной конвекции. Теплофизика и гидродинамика в процессах кипения и конденсации. - Новосибирск, 1985.

28. Tsukamoto О., Uyemura Т. Observation of bubble formation mechanism of liquid nitrogen subjeected to transient heating. // Advances in Cryogenic Engineering. -1980. - Vol. 25 pp. 476-482.

29. Павленко A.H., Чехович В.Ю. Кризис теплоотдачи при нестационарном тепловыделении в криогенной жидкости. Современные проблемы теплофизики. - Новосибирск. -1984. с. 5-15

30. Павленко А.Н., Чехович В.Ю. Исследование кризиса теплоотдачи ври нестационарном тепловыделении. Кипение и конденсация (гидродинамика и теплообмен). - Новосибирск. - 1986. с. 66-85.

31. Kozawa Y., Aoki S. Boiling transition phenomena and heat removal limits at transient high power generation. // Research on Effective Use of thermal Energe. - 1985. pp. 105-112

32. Shepherd J.E., Sturtevant B. Rapid evaporation at the superheat limit 11 J. Fluid Mech. -1982. - Vol. 121.-pp. 379-402.

33. Кутателадзе C.C. Основы теории теплообмена. - M.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

34. Варгафтик Н.Б., Филипов Л.П., Тарзиманов А.А., Тащсий Е.Е. Теплопроводность жидкостей и газов. - М: Изд-во стандартов, 1978.

35. Варгафшк Н.Б., Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Изд-во Наука, 1972.

37. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. литер. 1962.

38. Кессельман П.М., Котдяревский П.А., Дермван В.Б. и др. Теплофизические свойства бензола. Теплофизические свойства газов. - М.: Наука. - 1970. - с. 111-118.

38. Кессельман П.М., Котляревский П.А., Дермван В .Б., Каменецкий В.Р., Онищенко В.П. Теплофизические свойства бензола. У/ Теплофизические свойства газов. - М. Наука, 1970, с. 111-118.

39. Teja A.S., Singh A. Equation of state for ethanol, propane and n-butane. // Cryogenics, 1977, vol. 17, N11, pp. 591-596.

40. Platzer В., Plot A., Maurer G. Thermophysical Properties of Refrigerants. - Berlin: Springer-Verlad, 1990.

41. Ривкин С.JI., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1980. 424 с.

42. Goodwin R. Toluene Thermophysical Properties from 178 to 800 К at Pressures to 1000 bar - // J. Physical & Chemical Reference Data. Vol. 18. N 4. 1989. P. 1565.

43. Мамонтова H.H. Исследование критических тепловых потоков при кипении жидкостей в условиях свободной конвекции и давлениях ниже атмосферного. Дисеер. на соискание ученой степени канд. тех. наук. - 1967. -Новосибирск Институт теплофизики СО АН СССР. 118 с.

44. Буевич Ю.А., Мансуров В.В., Наталуха И.А. Автоколебательные процессы на тепловыделяющих поверхностях и третий кризис кипения. // ТВТ. - 1987 - Т.25, Кв 6. - с. 1161-1167.

45. Авксентюк Б.П., Месаркишвили З.С. Влияние недогрева на критические тепловые потоки при кипении жидкостей в области субатмосферных давлений. // Кипение и конденсация. - Новосибирск. -1986.-С. 45-51.

46. Васильев В.А., Романовский Ю.М., Яхно В.Г. Автоволновые процессы it Под ред. Д.С. Чернавскош. - М: Наука, 1987.

47. Петухов Б.С., Гения Л.Г., Ковалёв С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках // Под ред. Б.С. Петухова. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

48. Жуков С.А., Барелко В.В. Динамические и структурные особенности процессов распада метастабильного режима однофазной конвективной теплопередачи и формирования пузырькового кипения: Препр. - Черниголовка: ОИХФ АН СССР, 1987.

49. Жуков С.А., Барелко В.В. К вопросу об автоволновом механизме явлений распада мег&стабидьных режимов теплопередачи в процессе кипения // ТВТ. 1989. Т. 27, № 5. с 920.

50. Zhukov S. A., Barelko V.V. Dynamic and Structural Aspects of the Processes of Single-Phase Convective Heat Transfer Metastable Regime Decay and Bubble Boiling Formation. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1992. V.35. № 4. p. 759.

51. Fauster J., Mitrovie J. Transition from single-phase convection of superheated liquids into a stable boiling mode. /'/' Proc. Int Symposium on Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation, - Moscow, 1997.pp7 61-65.

52. Fauster J., Mitiovic J. Some features of boiling fronts on heated surfaces. /У Proc. of 11th Int. Physics oi Heat Transfer Conferen., Kyongju, Korea, 1998, Vol. 2, pp. 377-382.

53. Avksentyuk B.P. Nonequilibrmm Model of an Evaporation Front. // Russian J. Engng. Themiophysics 1995. V.5. №>l,P.l.

54. Кутателадзе C.C., Накоряков B.E. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. • Новосибирск: Наука, 1984.

55. Brabston D.C., Keller Н.В. Viscous Flows Past Spherical Gas Bubbles. // J. Fluid Meeh. - 1975. - V 69, Part 1. - p. 179.

56. Cercignani C. Strong Evaporation of Polyatomic Gas. II Rarefied Gas Dynamics Ed. Fisher S. S.. AIAA, - N.Y. -1981. - Part 1. - P. 305.

57. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. - М.: Гостехиздат, 1954.

58. Афанасьев Ю.В., Крохин О.Н. Газодинамическая теория воздействия излучения лазера на конденсированные вещества. Тр. ФИАН СССР. -1970. - Т.52. - с. 118.

59. Корнеев В.В. О возможности определения коэффициента конденсации воды из экспериментов пс лазерному испарению. И ТВТ. - 1990. - Т.28. -.N3. - С. 536.

60. Pavlenko A.N., Lei' V.V. Model of maintaing evaporation front for superheat liquids. CD "Third International Conference on Multiphase Flow, // ICMF'98". Lyon, France, June 8-12, 1998, file P366.pdf.

61. Okuyama K., Iida Y. Transient boiling heat transfer characteristics of nitrogen (bubble behavior and heat transfer rate at stepwise heat generation). // Int J. Heat Mass Transfer. - 1990. - Vol. 33, N10. - p. 2065-2071.

62. Авксенпок Б.П. Овчинников B.B., Плотников ВЛ. Динамика, распада мегасгабильной пристенной жидкости в области высоких перегревов. // Тезисы докладов. Тепломассобмен ММФ. Секция 4., Минск 1988, с.3-5.

63. Авксенпок Б.П. Овчинников В.В., Плотников ВЛ. Динамика вскипания перегретой жидкости е области высоких перегревов. // Тезисы докладов. Всесоюзной конференции "Тепломассобмен т парогенераторах", ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1988 с.227-228.

64. Авксенпок Б.П. Овчинников В.В., Плотников В.Я. Динамика вскипания перегретой жидкости при субатмосферном давлении. // Тезисы докладов Конференции "Теплофизика в гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации", т. 1, РПИ, Рига, 1988, с.16-18.

65. Авксенпок Б.П. Овчинников В.В., Плотников ВЛ. Динамика вскипания жидкости в области высоких перегревов. // Теплообмен в парогенераторах. Материалы Всесоюзной конфере-нции. Новосибирск, 1988, с.304-308.

66. Авксенпок Б.П. Овчинников В.В., Плотников В .Я. Динамика вскипания перегретой жидкости и кризисы теплообмена. // Тезисы докладов П Всесоюзное совещание "Метастабильные фазовые состояния - теплофизические свойства и кинетика релаксаций", т. 1 Кипение и конденсация. Свердловск, 1989, с. 144-145.

67. Овчинников В.В. Вскипание ацетона. // Тезисы докладов П Всесоюзная конференция молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазо динамики" Новосибирск, 1989, с.252-253.

68. Авксентюк Б.П. Овчинников В.В., Плотников В.Я. Динамика распада метастабильной пристенной жидкости в области высоких перегревов. // Тешюмассобмен ММФ, Избранные доклады. Секция 4-5, Тепломассообмен в двухфазных и дисперсных системах. Минск, 19S9, с.3-13.

69. Авксентюк Б.П. Овчинников В.В., Плотников В.Я. Самоподдерживающийся фронт вскипания. // Известия Сибирского Отделения Академии Наук СССР (серия технических наук), вып. 2, 1989.

70. Авксентюк Б.П. Овчинников В.В. Самоподдерживающийся фронт вскипания и кризисы теплообмена. II Тезисы докладов.I Всесоюзный семинар "Кризисы теплообмена при кипении", Новосибирск, 1989, с.10-12.

71. Авксешюк Б.П. Овчинников В.В. Самоподдерживающийся фронт вскипания и третий кризис кипения. // В сб. "Нестационарные поцессы в двухфазных потоках". ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1989, с.52-68.

72. Авксешюк Б.П. Овчинников В.В. Барокапилярная неустойчивость и третий кризис кипения. II Тезисы докладов. VII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", т. 1, Ленинград, 1990, с.82-83.

73. Авксентюк Б.П. Овчинников В.В., Плотников В.Я. О механизме и модельном описании самоподдерживающегося фронта вскипания. // Известия сибирского отделения академии наук СССР (серия технических наук), вып. 4,1990.

74. Avkseniyuk В.Р. Ovchinnikov V.V., Plotnikov V.Ya. Dynamics effects on interphase surfese during the disintegration of superheated nearwall liquid. // Proc. Inter. Center Heat Mass Transfer (Phase - Interfase Phenomen Multiphase Flow), v. 33, 1991, p. 583-598.

75. Авксентюк Б.П. О динамике парообразования в воде. // Сибирский физико-технический журнал (теплофизика, тепломассообмен), вып. 1,1992.

76. Авксентюк Б.П. Овчинников В.В. О структуре парообразования воды в области высоких перегревов. /7 Тепломассообмен-ММФ - 92. 2-й Минский международный форум, 18-22 мая 1992г. -Минск, 1992, т.4, часть 2, с.61 -64.

77. Avkseniyuk В.Р. Ovchinnikov V. V. A study of evaporation structure at high superheatings. // Russian Journal of engineering thermophysics, v.3, N 1, 1993.

78. Авксешюк Б.П. Овчинников В.В. Исследование процесса парообразования на вертикальной поверхности при высоких перегревах. И Теплофизика высоких температур, т.32, N 1,1994.

79. Avkseniyuk В.Р. Ovchinnikov V.V. Explosive Vaporisation at High Superheating on Vertical Surface. // Proc. Mem.Conference "New Trends in Nuclear System Thermohydraulics" Italy, 30 May -2 June, 1994.

80. Avkseniyuk B.P. Ovchinnikov V.V. A Study of Vapor formation Structure in Water at High Superheating. II Proc. Inter. Symp. Heat Mass Transfer in Chemical Process Industry Accidents, Italy, 1516 September, 1994, pp 275-283.

81. Avksentyuk B.P. Ovchinnikov V.V. A study of discontinuity surfaces dynamics during boiling-up at pressures higher than the atmospheric ones. // Proc. 2nd intern. Conf. on Multiphase Flow, 95-Kyoto, April 3-7, 1995, Kyoto, Japan, 1995, V.2, pcl-23-pcl-28.

82. Авксенпок Б.П. Овчинников В.В. Модель фронта испарения. //ТВТ, 1996, т.35, №5, с.809-812.

83. Авксенпок Б.П. Овчинников В.В. Исследование динамики парообразования при давлениях больших атмосферного. // Журн. прикл. механики и техн. физики. 1996, т. 37, №6, с. 91-98.

84. Avksentyuk В.Р. Ovchinnikov V.V. Model of an evaporation front propagation in metastable liquid. II Proc. 2nd European Thermal - Sciences and 14th UIT National Heat Transfer Conference. Rome, Italy, 1996, Vol. 16 pp. 459-465.

85. Авксенпок Б.П. Овчинников B.B. Модель фронта испарения. // Тепломассообмен-ММФ - 96. Минск, 1996, т. 4, часть 2, с.36-31.

86. Avksentyuk B.P. Ovchinnikov V.V. A heterogeneous boiling dynamics of benzene at superheats close to the limit // Proc. Intern. Symposium on the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation. 1997, Mosckow, pp.229-234.

87. Avksentyuk B.P. Ovchinnikov V.V. A study of a transient critical heat flux to water on the surface depleted of nucleation sites. // Proc. 4th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. Edizioni ETS, Brusel, 1997, v.2, pp.615-620.

88. Авксенпок Б.П. Овчинников B.B. Исследование динамики гетерогенного вскипания бензола при перегревах, близких к предельным. // Теплофизика и Аэромеханика, 1998, т.5, № 1, стр. 105-112.