Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 6

Закалка серебряного образца в 60°С воде при разной скоростижидкости: 1-0,2-0,13,3-0,26,4-0,34,5-0,40,6-0,46,7-0,63,8-1,9-1,4,10-2м/сТакже авторы провели исследования по влиянию физико-химическихсвойств поверхности, и выяснили, что нанесение покрытия из менеетеплопроводногоматериаланаобразецизматериаласвысокойтеплопроводностью (например, серебряный образец с никелевым покрытием)ускоряет процесс охлаждения образца, как это следует из рис.1.28-b.Рис.1.28.

a) Охлаждение серебряного образца в 30°С воде подвоздействием струи воды, подаваемой из иглы, расположенной в 2 мм отповерхности. Скорость струи 1-0, 2- 0,1, 3-0, 4-0,8, 5-0,92м/с. Непрерывнаялиния – полированная поверхность, пунктирная – шероховатая. b) Кривыеохлаждения в воде при температуре 40, 60 и 100°С. Сплошная линия –серебряный образец, пунктирная – серебро м никелевым покрытием (10мкм).44В итоге авторами делается вывод, что для выполнения быстрогопроцесса закалки, условия проведения закалки должны быть такими, чтобыизбежать пленочного кипения: вода должна быть насколько возможно болеехолодной и коэффициент теплоусвоения поверхности должен быть низким.Заметим со своей стороны, что попытка избежать пленочного кипения притаких высоких температурах стенки – термодинамически неосуществимаямечта.Правильнееговоритьпродостижениеинтенсивногорежимаохлаждения в условиях пленочного кипения.1.2.3 Эффект Лейденфроста и нижняя граница пленочного кипенияВ 1966 г.

вышла в свет публикация фрагмента трактата «О некоторыхсвойствах обыкновенной воды», написанного И.Г. Лейденфростом в 1756 г.Благодаряэтому,современныечитателиполучиливозможностьпознакомиться с этой очень поучительной работой. Любой, кто интересуетсяисторией науки, обратит внимание на особенности, отражающие времясоздания трактата. Тогда закон сохранения энергии, реальная природа тепла,в частности скрытой теплоты испарения, и некоторые другие общеизвестныек настоящему времени факты не были открыты.

С сегодняшней точки зрения,основным результатом,увековечившимимяЛейденфроста,являлосьобнаружение факта, что при некоторой температуре железная поверхность неможет смачиваться жидкостью (не только водой).Рис.1.29. Эффект Лейденфроста на плоской металлической пластине300°С. a)сферическая капля воды b)сплющенная под действием силы тяжестикапля воды c) диск из сухого льда. Толщина паровой подушки ~100мкм45Ранее, в 1732 г. Бургав также сообщал, что спирт, разлитый на горячейповерхности, не может «коснуться огня», но формирует «блестящиекапельки похожие на ртуть». Тем не менее, Лейденфрост провел обширныеисследования этого явления, которое заслуженно носит его имя по сей день.Эффект Лейденфроста заключается в появлении парового слоя междужидкостьюигорячейповерхностью,когдатемпературапоследнейповышается настолько, что жидкость может существовать лишь в паровойфазе (рис.1.29).ОдинизсовременныхспособовопределениятемпературыЛейденфроста, соответствующий максимальному времени испарения каплина поверхности[28,29], фактически воспроизводит метод, представленный в[35].

Типичный график определения температуры Лейденфроста по временииспарения представлен на рис.1.30 и заимствован из [31].Рис.1.30.ОпределениетемпературыЛейденфростаповременииспарения капли [31].Однако, в таких экспериментах, на результаты измерений оказывают влияниебольшое количество дополнительных факторов.Для воды, разныеисследователи предлагают различные температуры Лейденфроста в широкомдиапазоне от 150 до 455°C.

Авторы [32] наблюдали за поведением водныхкапель на гладкой алюминиевой поверхности при плавном повышении еётемпературы.46Рис.1.31. Кривая испарения фиксированных капель и фотографии водяныхкапель через 2мкс после контакта с алюминиевой поверхностью [32].Температура, соответствующая появлению стабильной паровой пленки, былапринята за точку Лейденфроста. В экспериментах она составила 165°C. Вработе [33] авторы дополнили свои исследования падающими каплями иструями. В обеих статьях изучается образование пленочного кипения вовремя увеличения температуры поверхности, т.е.

при прямом движениивдоль кривой кипения (слева на право), как это видно из рис.1.31. Когдакапля падает на горячую поверхность, температура Лейденфроста начинаетзависеть от скорости падения [29,33], или, более точно, от числа Вебера,построенного по скорости капли и её радиусу (We=ρLu2R/σ).Согласно [29] при We≥10, температура Лейденфроста становится выше400°C. В работе [34] исследуется поведение капель, падающих на горячую(до 600°С) полированную кремниевую пластину. При этом наблюдаются тритипа поведения капли - «контактное кипение», когда капля резко вскипает,соприкасаясь с поверхностью, «спокойное пленочное кипение», когда капляне имеет контакта с поверхностью и «струйное пленочное кипение», когда изкапли выбрасываются тонкие струйки жидкости.47Рис.1.32.

Диаграмма, показывающая 3 характерных режима поведениякапель в зависимости от температуры поверхности и числа Вебера [34].Определение типа поведения капли производится с помощьювизуального анализа видеозаписи, которая велась одновременно с двухвысокоскоростных видеокамер (одна располагалась с боковой стороны, авторая снизу от капли). Авторы произвели большое количество опытов ипостроили карту режимов кипения в зависимости от температурыповерхности и числа Вебера (We), которая приведена на рис.1.32. При этомграница между контактным и пленочным кипением в некоторых случаяхпревышала 400°С. Эта температура увеличивалась с увеличением числаВебера.

Совершенно ясно, что вода не может находиться в жидкомсостоянии, при температуре превышающей её критическую температуру Tcr.Возможно, при динамических режимах с падающей каплей, рассматриваетсянекоторая эффективная температура Лейденфроста, когда точки контактажидкость – твердое тело, существуют только на отдельных выступахшероховатой поверхности. В этих точках локальная температура может бытьниже, чем возможная доступная температура жидкости и много ниже, чемсредняя по поверхности.48Рис.1.33. а) Характерный рельеф поверхности полученный с помощьюсканирующего микроскопа.

b) Зависимость времени жизни капель нанержавеющей подложке с разной морфологией поверхности [35].Похожая ситуация рассматривается в статье [35]. В этих экспериментахтемпература Лейденфроста повышается от общепринятой в 280°C наполированной поверхности из нержавеющей стали, до 455°C на специальнойповерхности пирамидальной структуры, что хорошо видно из рис.1.33. Такаянеобычная структура создавалась обработкой поверхности фемто-секунднымлазером. В частности, авторы обсуждают возможность протыкания паровойпленкипод каплей благодаря поверхностной микроструктуре, когдатолщина парового слоя приблизительно равна характерному размерумикроструктур, полученных лазерной обработкой.Авторы [37] обнаружили наличие электрического контакта междунедогретой жидкостью и высокотемпературной поверхностью сферическойголовки цилиндрического нагревателя. Одновременно с этим измерялисьпульсациидавленияприразныхрежимах49кипения.ОтносительнаяпродолжительностьконтактовувеличивалосьоколотемпературыЛейденфроста.

Из рис.1.34 видно, что изменение давления и электрическогосигнала коррелируют между собой. Авторы, на основе таких показанийсмогли посчитать скорость смачивания, которая зависит от температурыполусферы и может составлять примерно 70 м/с.Рис.1.34 Совместные осциллограммы давления и эквивалентногодиаметрапятна контакта.

Образец полусферы из нержавеющей стали.Температура полусферы при взрывномсходе(разрушении)паровойпленки приблизительно 270 °С, температура охлаждающей воды: (a) – 20;(б) – 60; (в) – 80 °С [37].Как обсуждалось выше, во время закалки в недогретой воде,наблюдетсядестабилизацияпаровойпленкиприоченьвысокихтемпературах. Существует очевидное противоречие, когда авторы [38]говорят о повторном смачивании поверхности водой и приводят температуруэтой поверхности равной 500, а иногда и 800°С, в то время как критическаятемпература примерно равна 374°C.

Это означает, что в таких случаях,50понятие температуры Лейденфроста используется очень широко, настолько,что становится довольно неоднозначным. То же самое можно сказать оминимальной температуре пленочного кипения Tmin, которое также не можетбыть выше температуры возможного предельного перегрева Tlim. Конечно,существуют вопросы по определению температуры границы жидкостьтвердое тело, которая незначительно отличается от исходной температурытвердого тела, в случае металлических тел. В этом случае коэффициенттеплоусвоения металла (ρcλ)1/2 много выше, чем для воды.

Эти замечаниямогут быть применены к описанной ранее работе [20] c экспериментами наморской воде. Авторы пишут про исчезновение пленочного кипения во времязакалки в морской воде. Возможно, причина этого – солевые отложения наповерхности сферы. Простые вычисления, основанные на начальнойплотности теплового потока в районе 0.2-0.8 MВт/м2, показывают, чтосоляные отложения достигают толщины в 2-8 микрометров уже за 1 с.

Апузырьки, фиксируемые на кадрах видеосъемки около поверхности,возможно, являются газовыми пузырьками, образованными растворенным вводе воздухом. В пользу этого предположения говорят экспериментальныерезультаты статьи [39], в которой описываются исследования поведенияпузырьков воздуха в процессе кипения недогретой жидкости. Целью этихэкспериментов было исследование визуальногоэффекта растворённого вводе воздуха на процесс кипения.

Испытания проводились в воде приатмосферном давлении и при больших недогревах. Обнаружено, чторастворённый в воде воздух искажает картину кипения: на нагретойповерхности появляется большое количество пузырьков воздуха. Авторыпродемонстрировал,чтопрактическиневозможноизбавитьсяотрастворенных газов в воде. На обычной воде наблюдается большоеколичество пузырьков воздуха. Пузырьки воздуха не исчезают даже последеаэрированния кипячением и вакуумирования, что хорошо видно изрис.1.35.51Рис.1.35.

Фотокадры кипения воды разной степени дегазации.Это говорит о том, что возможной причиной эмиссии микропузырьковявляется растворённый в воде воздух. Понятно, что в недогретой воде чистопаровые пузырьки должны быстро схлопываться из-за конденсации.Работа[40]представляетубедительныеэкспериментальныеитеоретические результаты в поддержку приведенных выше положений.Эксперименты проводились на платиновой проволоке диаметром 1 мм иэффективной длиной 140 мм. Проволока нагревалась до 500 оС пропусканиемпо ней тока, а затем охлаждалась водой с недогревами ΔTsub = 0, 10, 20К.Результаты экспериментов показали, что скорость распространения фронтавзрывного разрушения плёнки уменьшается при уменьшении температурыместныххолодныхпятен,приэтомувеличиваетсятемператураминимального теплового потока. Они установили, что если существуетнизкотемпературный участок, температура которого ниже температурыспонтанной гомогенной нуклеации (Thom), то пленка будет разрушатьсявблизи этой зоны, даже если поверхность теплообмена в среднем имееттемпературу выше, чем Thom.