Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 5

Начальная температура сфер составляла 1000°С.Рис.1.19. Закалочные кривые для чистой сферы и для сферы сосажденными наночастицами: a) насыщенная вода, b) недогрев 70К [22].35Для создания «нано-жидкости»в воду добавлялись алюминиевые,кремниевые и алмазные нано частицы. Результаты экспериментов показали,что добавление в чистую воду наночастиц не влияет на характер процессазакалки. Однако было выявлено, что при повторных экспериментах на однойи той же сфере процесс закалки сильно ускоряется. Такой эффект вызванотложенияминаночастицнаповерхностисферы,чтоприводиткдестабилизации паровой пленки (рисунок 1.19-а).

При этом, температура, прикоторой пленочное кипение теряет устойчивость на 150°С выше, чем приохлаждении в чистой воде. Авторы своими экспериментами еще разподтвердили сильнейшее влияние на скорость закалки уровня недогреважидкости. В сильно недогретой жидкости коллапс паровой пленки начиналсясразу после погружения нагретого шара в охлаждающую жидкость, чтовидно из рисунка 1.19-b.Рис.1.20.

Кривые кипения для нержавеющего шара в a) чистой воде, b)0,1% алюминия, c) 0,1% кремния, d) 0,1% алмазов в насыщенной жидкости[22].36По мнению исследователей, это связано с уменьшением толщиныпаровой пленки, которая легче поддается дестабилизации отложившимися наповерхности сферы частицами.Также КТО увеличивается от эксперимента к эксперименту, чтосвязано с увеличением числа осевших частиц на поверхности сферы. Каквидно из рис.1.20, для чистой воды и для раствора алмазных частиц тепловойпоток не изменяется от эксперимента к эксперименту, в то время как дляраствора кремния и алюминия он увеличивается почти вдвое. Слабым местомработы является измерение температуры только в центре шара, ведь процесскипения происходит на поверхности и именно её температура отражает всеособенностиэтоговысокоинтенсивногопроцесса.Ввидунизкогокоэффициента температуропроводности различие в показаниях температурыцентра и поверхности в режиме интенсивного охлаждения, могут достигатьнесколько сотен градусов.В статье [23] проводится экспериментальное изучение пленочногокипения слабо недогретой воды на никелированных медных образцах разнойгеометрии в условиях вынужденного течения жидкости.

Температура водыменялась в пределах от 70 до 95°С, а скорость от 2 до 17 см/с. Начальнаятемператураобразцадостигала600°С.Температураобразцаконтролировалась термопарой, заделанной в центре рабочего участка.Представлены данные зависимости КТО и толщины паровой пленки отстепени недогрева воды. Также было проанализировано влияние недогревана минимальную температуру существования пленки. С помощью видеосъемки проводилась оценка состояния паровой пленки, и были выявлены триосновных вида: гладкая, волнистая и турбулентная. Вид паровой пленкизависел от уровня недогрева.Выявлено увеличение КТО с увеличениемнедогрева воды и уменьшением температуры поверхности, что связано суменьшением толщины паровой пленки при этих условиях.

Минимальнаятемпература пленочного кипения линейно зависит от уровня недогрева водыдо температуры насыщения, и доходит до температуры в 600°С при37недогреве в 30°С что видно из рис.1.21 Толщина пленки, при которойначинается разрушение паровой пленки, была оценена в 100 мкм (рис.1.21-b).Авторами было выявлено три основных типа коллапса паровой пленки:взрывной, при высоких недогревах воды, «поступательный», при низкихнедогревах и«поступательно взрывной» при средних недогревах. Взаключение хочется отметить, что данная работа посвящена условиямпрерывания устойчивого пленочного кипения и в ней не обсуждается типкипения, который приходит на смену пленочному режиму кипения.Рис.1.21 а) Зависимость минимальной температуры пленочногокипения от температуры воды, b) Зависимость минимальной температурыпленочного кипения и минимальной толщины пленки от температуры воды[23].Кромеупомянутыхтеплофизическихисследованийпленочногокипения недогретой жидкости, направленных в основном на безопасностьатомных станций, существует отдельная ветвь схожих исследований,связанных с технологией закалки.1.2.1 Влияние недогрева жидкости на процесс закалкиВо всех отраслях промышленности с каждым годом ужесточаютсятребования к используемым материалам.

Они должны быть более легкими,прочными, устойчивыми к агрессивным средам. При этом технологии их38производствадолжныэнергозатратными.бытьнадежными,дешевымиименееВ металлургии один из самых ответственных этаповпроизводства заготовок – это закалка, процесс, при котором очень горячийметалл погружается или орошается жидкостью для достижения быстрогоохлаждения. Темп охлаждения играет при этом ключевую роль применительно к углеродистым сталям, при высокой скорости охлаждения изначительном переохлаждении, не происходит распада твердого раствора,аустенит (γ-твердый раствор) превращается в мартенсит (пересыщенныйтвердый раствор углерода в α-железе) [24]. Понятно, что качествополучаемого в результате закалки изделия непосредственно зависит отинтенсивности теплообмена.

Один из самых мощных способов отвода тепла– это пузырьковое кипение. Ключевая особенность пузырькового кипения –это наличие контактов жидкость–твердая стенка. Поэтому температурныйдиапазон, при котором можно использовать этот мощный способ отводатепла, ограничен температурным диапазоном существования вещества вжидкой фазе [21].Рис.1.22. Схема препарированного образца: 1-образец, 2-штифт, 3место приварки спая термопары, 4-термопара, приваренная на поверхностиобразца, 5-термостойкая двухканальная трубка, 6-металлическая трубка,приваренная на торце образца [49].39Уже в 1 тысячелетии до н.э.

в древней Ассирии владели технологиейзакалки железных изделий. Но до сегодняшнего момента не существуетясного понимания физических механизмов, управляющих этим интенсивнымпроцессом отвода тепла. Многие специалисты по закалке, в том числе [49], суверенностью констатируют, что процесс закалки проходит в режимепузырькового кипения. Аргументом в пользу такого подхода являютсявысокие темпы охлаждения образца. Стоит заметить, что в своихэкспериментах, авторы использовали образец цилиндрической формы изстали Х18Н9Т или Х18Н10Т.

Выбор этого материала был обусловлен тем,что во время закалки, в начале процесса охлаждения стальные изделиясостоят из переохлажденного аустенита, сходного теплофизическимисвойствами с Х18Н9Т. Ключевой момент – термопары, измеряющиетемпературу поверхности, приваривались с боков образца с помощьюэлектроразрядного конденсатора (рис.1.22). Как будет показано во 2 главедиссертации, такой способ крепления термопар не отражает реальнойфизической картины процесса охлаждения, показывая скорости охлаждениянамного выше реальных.Рис.1.23. Зависимость плотности теплового потока от температурыстенки в процессе закалки для разных a) скоростей жидкости, b) диаметровобразцов, c) недогревов жидкости [26].40Возможно, наиболее полная исконцентрированная информация поэтой теме представлена в коллективной монографии [25], около трети объемакоторой занимают проблемы теплопередачи.

Специалисты по технологиизакалки объективно не интересуются механизмами теплообмена, поэтому вих работах нет ссылок на теплофизические исследования, в частности [1517]. Тем не менее, некоторые из их экспериментальных результатов лежат врусле обсуждаемой проблемы. Стоит отметить, что специалисты в областитеплообмена, в частности, авторы [15-17], также не обращаются крезультатам работ по закалке.В работах немецких авторов [26] исследуется влияние различныхфакторов на процесс закалки. Исследователи провели эксперименты наникелевых шарах в недогретой жидкости и обнаружили, что скоростьзакалки зависит от таких факторов, как температура и скорость жидкости, атакже от диаметра образца.Рис.1.24.Характерныетермограммыохлажденияприразныхтемпературах и скоростях охлаждающей воды [26].Отмечается, что с увеличением скорости жидкости, уменьшениемразмеров тела и температуры жидкости тепловой поток становитьсябольшим, что хорошо видно из рисунка 1.23.

Например, при уменьшениитемпературы воды от 100 до 20°С, плотность теплового возрастает почти в 4раза, достигая мегаваттных значений. Из термограмм, приведенных на41рисунке 1.24, отчетливо видна сильнейшая зависимость времени охлажденияобразцов в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и от еескорости.Рис.1.25. Температура Лейденфроста при погружной закалке шаров ицилиндров в воде[26].Температура,прикоторойначинаетсяинтенсивныйрежимохлаждения, сдвигается в область более высоких значений температурстенки.Экспериментальныеданныепредставленынарис.1.25.Стоитотметить, что авторы называют эту температуру точкой Лейденфроста, чтоне совсем верно, так как этот режим начинается при температурах, заметнопревышающих температуру предельного перегрева.Авторы установили, чтозначение максимума теплового потока зависит от типа металла; так, налатуни и меди получены значения на 50% больше, чем на никеле.

Проведеныисследования по влиянию рода жидкости (water, aquatenside, durixol B4,polymer 834294) на скорость охлаждения, рис.1.26. Скорость охлаждения вразличных жидкостях зависит от их влияния на температуру Лейденфроста.ЧемвышетемператураЛейденфростажидкости,теминтенсивнеепроисходит охлаждение, что связано с ранним началом интенсивного режимаохлаждения. К сожалению, в данной работе совершенно не описываетсяметодикаэксперимента,испособырасчетатепловыхпотоковнаповерхности, а ссылки, которые даны на эти разделы, труднодоступны.42Однако, большое количество опытных данных, делают эту работу оченьполезной для наших исследований.Рис.1.26. Температурная кривая (сверху) и зависимость плотноститеплового потока от температуры поверхности (снизу) для разныхзакалочных средВ статье [27], опубликованной F.

Moreaux и G. Beck, анализируетсявлияние недогрева и скорости жидкости, а также свойств поверхностиопытного образца на характер процесса охлаждения. Отмечается, что надестабилизацию пленочного кипения, большое влияние оказывает скоростьохлаждающей жидкости, как это видно из рис.1.27. При скорости воды 2 м/с,образец охлаждается в три раза быстрее, чем в неподвижной жидкости. Всвоих экспериментах они использовали шприц для воздействия на нижнюючасть охлаждаемого образца струей воды, и установили, что длядестабилизации пленочного режима достаточно совсем небольших скоростей(так, при температуре воды +30ºС скорость Ui=0,1 м/с). Что касается влияниясвойств поверхности, то авторы заметили, что на шероховатой поверхностипленочное кипение более стабильно, чем на полированной, и переход отстабильного пленочного режима к неустойчивому происходит раньше(рис.1.28-а).43Рис.1.27.