Автореферат (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 2

Основойстенда является герметичный корпус экспериментальной камеры (6)выполнен из нержавеющей стальной трубы внешним диаметром 219 мм столщиной стенки 10 мм. В его верхней части размещена медная катушкавнутренним диаметром 50 мм (2) ВЧ индукционного нагревателя (3); внижнюю часть объемом 25 л заливается охлаждающая жидкость,температура которой поддерживается на заданном уровне с помощьютермостата (8) и связанного с ним погруженного в жидкость змеевика (7) сплощадью поверхности теплообмена 0,224 м2. Зона нагрева отделена отобъема жидкости тонкой металлической диафрагмой (5), экранирующейохлаждающую среду от теплового излучения и брызг охлаждающейжидкости. Металлический шар (1) в начале эксперимента посредствомрычажной системы перемещения рабочего образца (4) устанавливаетсявнутри катушки (2).

Предусмотрена возможность проведения нагреварабочего образца в среде инертного газа, поступающего из баллона (9).Нагретый шар перемещается в объем охлаждающей жидкости на уровеньсмотровых окон, выполненных из кварцевого стекла толщиной 10 мм. Вовремя охлаждения сигнал от термопар (11) поступает через коннектор NISCXI-1303 на измерительный модуль NI SCXI-1102 (12), который является6частью сборки на основе NI SCXI-1001. Регистрация сигнала от каждойтермопары осуществляется с частотой 100 Гц. Результаты измерений черезUSB-интерфейс поступают на персональный компьютер (13), где впрограмме Lab View строится зависимость температуры от времени. В рядережимов одновременно с получением термограмм осуществляется съемкапроцессов, происходящих на поверхности охлаждаемого шара, наскоростную цифровую видеокамеру (14) в проходящем свете от галогеннойлампы (15).1-рабочий участок; 2-катушка индуктора; 3-ВЧ индуктор; 4-механизмперемещения рабочего образца; 5-диафрагма; 6-экспериментальная камера;7-спираль теплообменника; 8- термостат с циркуляционным контуром; 9баллон со сжатым инертным газом; 10- редуктор и манометр; 11-термопарырабочего образца; 12-измерительный модуль; 13-персональный компьютер;14-скоростная цифровая видеокамера; 15-система освещения.Рабочие участки представляют собой металлические шары диаметром от30 до 50 мм.

В качестве материала используются никель, медь, нержавеющаясталь Aisi-316. Крепление термопарных кабелей осуществлялось с помощьюлазерной сварки. Горячий спай термопары приваривался к диску диаметромчуть более диаметра самого отверстия, такого же металла, что и материалшара. Затем этот диск приваривался заподлицо с поверхностью шара. Схематакого крепления приведена на рис. 2. Шары из меди дополнительнопокрывались карбидом хрома, для предотвращения окисления поверхности.Окончательная схема закладки термопар идентична для всех рабочихучастков, отличаясь лишь количеством поверхностных термопар7Рисунок 2 – Схема рабочих участков и крепления термопарНа рисунке 2 приведена схема рабочего участка с 5 термопарами. Вшаре монтируются хромель-алюмелевые термопары: четыре на поверхностив точках с полярным углом θ = 50, 90, 135 и 180º и одна в центре.

Вбольшинстве случаев использовались кабельные термопары с диаметромэлектродов 0,2мм; наружный диаметр кабеля термопары не превышал 1 мм.Рисунок 3. а - схема заделки термопар на цилиндрическом образце; b термограммы охлаждения цилиндра из нержавеющей стали с различнойзаделкой термопар. Расположение термопар: 1 — центральная; 2— 5—внутренняя дно, низ, середина и верх; 6 — 8— внешняя низ, середина и верх.8Были проведены методические эксперименты с одновременнымизмерением температуры стенки наружными и заделанными изнутри образцатермопарами. На рисунке 3-а представлен эскиз рабочего участка в видетолстостенной трубы из нержавеющей стали, внешним диаметром 30 мм ивысотой 60 мм. Герметичность обеспечивалась привариванием снизу исверху заглушек из того же материала. На одинаковых расстояниях отнижнего торца монтировали по две термопары, одну из которых приваривалиснаружи, а другую вводили через сверление в стенке трубы и крепилизаподлицо с поверхностью.В ходе проведения экспериментов были получены термограммы, примеродной из реализаций приведен на рисунке 3-b, из которого следует, чтотермограммы внутренних и наружных термопар даже качественно несогласуются друг с другом.

Так, температура, зафиксированная внешнимитермопарами, падает от 580 — 600 до 300 — 320 °С практически мгновенно,в то время как для внутренних термопар это падение происходит за 13 с длянижней термопары (сечение ВВ) и за 30 с для верхней (сечение АА).Видеосъемка показала, что фронт интенсивного охлаждения движется снизувверх.

Сдвиг времени начала интенсивного охлаждения отчетливо виден потермограммам внутренних термопар, а внешние термопары отражаютпрактически синхронное охлаждение поверхности цилиндра в местах ихзаделки. Очевидно, спаи этих термопар и термоэлектроды выступают вкачестве своеобразных ребер, по которым тепло интенсивно отводится вжидкость. Этот методический эксперимент устраняет всякие сомнения вневозможности использовать наружную заделку термопар для изученияохлаждения высокотемпературных образцов в недогретой жидкости.Предлагаются надежные методики расчета КТО и тепловых потоков врежиме интенсивного охлаждения, основанные на решении одномерногонестационарного уравнения теплопроводности прямой осесимметричнойзадачи нестационарной теплопроводности:cT 1  2 T1T 2 (r  )  2(sin  );t r rr r sin  С граничными условиями:( )()Уравнение решается с использованием разработанной на кафедре ИТФМЭИ программы «Rteta».

Расчет проводится в интерактивном режиме.В третьей главе приводятся данные о пленочном кипении сильнонедогретых спиртов и перфторуглерода. В некоторых экспериментахнедогревы достигали рекордных значений в 160К. Осуществленыэксперименты при различных избыточных давлениях охлаждающейжидкости, что также позволило расширить диапазон недогревов дотемпературы насыщения. Как показывают опыты по охлаждениювысокотемпературных тел в воде, величина недогрева играет ключевую роль.9Рисунок 4 – Термограммы охлаждения шара из никеля диаметром 45ммв: a-этаноле, b-изопропаноле, с-перфторгексане.10Для выявления значений граничного недогрева было выполненобольшое число (~100) экспериментов по охлаждению высокотемпературныхшаров из никеля и нержавеющей стали в перфторгексане, изопропиловом иэтиловом спирте в огромном диапазоне недогревов (до 160К) приатмосферном давлении.Рисунок 5 – Зависимость КТО от температуры стенки при охлаждениишара из никеля диаметром 45мм в: a-этаноле, b-перфторгексане.На рисунке 4-а приведена серия экспериментов на 95% этиловом спирте.В этом случае начальная температура рабочего участка составляла 400°С.Критическая температура для этилового спирта составляет 241°С,температура кипения 78°С.

Эксперименты проводились в широкомтемпературном интервале охлаждающей жидкости от -75°С до +45°С, чтосоответствовало недогревам до температуры насыщения 153 и 33К. Каквидно из термограмм, представленных на рисунке 6-а недогрев несильно11влияет на темп охлаждения. Заметно лишь небольшое увеличение темпаохлаждения с ростом недогрева. Так, шар охлаждается от 400°С до 220°С за57с при температуре этанола -75°С, и за 87с при температуре +45°С.На рисунке 4-b изображены характерные осредненные по поверхноститермограммы охлаждения 45 мм никелевого шара в изопропиловом спиртепри разных температурах, а на рисунке 4-с приведены характерныетермограммы, полученные при охлаждении 45 мм никелевого шара вперфторгексане.

Отметим, что на всех трех жидкостях не наблюдаетсяпереход к интенсивному «микропузырьковому» режиму кипения во всеминтервале недогревов. Значения КТО (рисунок 5), подсчитанные численнымметодом решением ОЗТ, соответствуют значениям, типичным дляустойчивого пленочного кипения.Рисунок 6 – Термограммы охлаждения шара из никеля диаметром 45ммв: a - изопропаноле, b -перфторгексане. Температура жидкости -15°С.Были проведены эксперименты по охлаждению рабочего участка изникеля в изопропиловом спирте и перфторгексане под избыточным12давлением (~1.0МПа).

За счет использования внешнего давления,создаваемого инертным газом, удалось увеличить недогрев жидкости прификсированной температуре (-15°С). При этом были достигнуты огромныенедогревы в 170К для изопропанола и 160К для перфторгексана.Эти эксперименты также не выявили наличия так называемогомикропузырькового режима кипения. Заметен рост КТО с ростом давления.Максимальные значения КТО при давлении в 1.0МПа составили 1000 Вт/м2Кдля изопропанола и 800 Вт/м2К.Устойчивое пленочное кипение является основным режимом кипенияпри охлаждении высокотемпературных тел в недогретых спиртах иперфторгексане. Его длительность для изопропанола составляет 50-80с, а дляFC-72 может быть больше 100с. Интенсивность теплообмена в этих режимахпрактически в два раза выше, чем при пленочном кипении при температуренасыщения.На основе полученных экспериментальных результатов проведеноуточнение полученного ранее приближенного уравнения теплообмена припленочном кипении недогретой жидкости с двумя эмпирическимичисленными коэффициентами.Рисунок 7 – Модель пленочного кипения недогретой жидкости.От классической работы Бромли, этот подход отличается учетомконечной скорости жидкости и пара на границе раздела, вызваннойтермогравитационной конвекцией в жидкости (рисунок 7).Итоговое уравнение, вывод которого подробно описан вдиссертационной работе, принимает следующий вид:133G hLGg 1 / 4  h Tsub 1 / 2T  0.59  () (1  330  ( G G LG) (1  sub )1 / 2 ( L )1 / 6 ) G TD G T  PrLTsУравнение показывает хорошее согласие с экспериментальнымиданными авторов и с имеющимися результатами других исследователей.Среднеквадратичное отклонение экспериментальных точек от расчетныхзначений для трех жидкостей составило: для воды 12.4-25.4%; для этанола19.3-22.4% (рис.3.30), для изопропилового спирта 13.0-19.4%; дляперфторгексана 9.7-19.2%.В четвертой главе, для изучения микропузырькового режима кипения,былипроведенысистематизированныеисследованияохлаждениявысокотемпературных шаров из различных металлов (нержавеющая сталь,медь и никель) в воде с температурой от 10 до 90°С.

На рисунке 8представлены термограммы для 5 различных недогревов. Из графика хорошовидно, что с увеличением недогрева интенсивность охлаждения растет.Рисунок 8 – Термограммы охлаждения боковой поверхностнойтермопары 45мм никелевого шарика. Температура воды варьируется от 10 до75°С.При температуре жидкости 10°С значение плотности теплового потокадостигает 7 МВт/м2. В этот момент температура стенки превышает 500°С,что заведомо исключает наличие прямого контакта жидкости со стенкой.