Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 7

Авторы [40] настойчиво подчеркивают, чтотемпература контакта жидкости и твердого тела не может превышатьмаксимальную температуру, определяемую термодинамическим пределомперегрева жидкости.52Как показали авторы работ [41, 42], температурой Лейденфростаможно управлять путем изменения свойств поверхности материала.Вэкспериментах использовался шары из нержавеющей стали диаметром 20 мми цилиндры из нержавеющей стали диаметром 24 мм.Рис. 1.36. 10мм стальная сфера в 95° воде: a) гидрофильнаяповерхность(обработкаплазмой)b)гидрофильнаяповерхность(органическая обработка), c) гидрофобная поверхность, d) супергидрофобнаяповерхность.Поверхность обрабатывалась специальным образом и в итоге авторыполучили 4 типа поверхности, рис.1.36.:-Супер гидрофильная θ<10°;-Гидрофильная θ <30°;-Гидрофобная θ~100°;-Супер гидрофобная θ>160°;53Шары нагревались до 700°С, а затем охлаждались в воде стемпературой 22 и 100°С.

Внутри шара было просверлено 2 мм отверстие вкоторое закладывалась термопара. Локализация термопары, а также способее крепления в статье не указаны. Процесс охлаждения снималсявысокоскоростной видеокамерой. Были построены зависимости изменениятемпературы шара с течением времени в воде с разной температурой, какпоказано на рис.1.37.Рис.1.37.a)охлаждениешарасгидрофильнойповерхностью.Увеличение температуры Лейденфроста с ростом недогрева b) отсутствиеточкиЛейденфростаприохлаждениешарассупергидрофобнойповерхностью с) и d) охлаждение шара с разной поверхностью в холоднойводеАвторы пришли к следующим выводам по влиянию поверхностинержавеющего шарика:Супер гидрофильная. Режим кипения пузырьковый, пленочноекипение отсутствует;54Гидрофильная. Пленочное кипение сменяется пузырьковым притемпературе поверхности шара ~ 420°C;Гидрофобная.

Пленочное кипение сменяется пузырьковым притемпературе поверхности шара ~ 210°C;Супер гидрофобная. Весь процесс охлаждения проходит врежиме пленочного кипения без перехода к пузырьковомурежиму.Вызывает удивление, что, охлаждая шар с начальной температурой700°С, авторы заявляют, что пленочное кипение отсутствует. Но этого неможет быть, так как температура стенки намного превышает критическуютемпературу воды и контакт жидкости со стенкой невозможен, а значит и невозможен пузырьковый режим кипения при таких высоких температурах.ТакиенеточностивопределениитемпературыЛейденфроставозникают потому, что исследователи связывают границу перехода отпленочного режима кипения к пузырьковому с увеличением интенсивноститеплоотдачи на исследуемом образце.

Таким образом, разумно принятьпредельно допустимую температуру жидкости в качестве физическиобоснованной температуры Лейденфроста, по крайней мере, в процессахзакалки. Температура поверхности, при которой возникает дестабилизацияпаровой пленки, является температурой начала нового режима теплообмена,не более.

Основная проблема состоит в понимании механизмов этойдестабилизации и резкого увеличения интенсивности теплообмена при этомпереходе.1.2.4 Влияние фактора недогрева на возникновение парового взрываПаровой взрыв – быстрое парообразование, вызванное фрагментациейгорячего теплоносителя в объеме жидкости. Очень быстрое образованиеогромного количества пара вызывает повышение давления, что приводит ккатастрофическим последствиям.

Именно вопросы безопасности являютсямотивирующим фактором в изучении этого явления.55Крупномасштабный паровой взрыв может произойти на такихпромышленных объектах, где теоретически возможен контакт горячего телас охлаждающей жидкостью. Приведем некоторые из них:1.тяжелойАтомная энергетика. Паровой взрыв может возникнуть приаварии,когдарасплавактивнойзоныреактораДляотделениявзаимодействует с холодной водой.2.Целлюлозно-бумажноепроизводство.целлюлозы от лигнина смесь опилок и воды нагревают до высокихтемператур под большим давлением. После резкого сброса давления,вода вскипает взрывным образом.3.Производство и добыча сжиженных газов. Опасностьпопадания сжиженных газов или, например, гидрата метана в горячуюсреду (в воду) или разгерметизация сосудов хранения.4.Металлургия.Попаданиевысокотемпературныхрасплавленных материалов (сталь, алюминий, кобальт, никель) в воду.Примером может служить авария в Квебеке, которая произошла припопадании расплава стали в воду [43].Процесс развития парового взрыва состоит из последовательныхстадий начального перемешивания, инициирования, тонкой фрагментациикапель расплава ирасширением продуктоввзрыва вокружающеепространство.

В данной работе уделим особое внимание условиямвозникновения парового взрыва, в частности, влиянию комбинациинедогрева охлаждающей жидкости и температуры охлаждаемого тела. Естьмнение, что процесс микро-пузырькового кипения может являться триггеромдля возникновения парового взрыва.Американские исследователи [50]провели серию работ по исследованию охлаждения жидких металлов (ртуть,свинец, цинк, висмут, олово и алюминий) в воде и жидком азоте.

Авторыустановили, что паровой взрыв является следствием очень быстроготеплообмена,приналичиизначительной56площадитеплоотдающейповерхности,т.е.длявозникновенияпаровоговзрыванеобходимафрагментация расплава. Температура расплава менялась от 903°С длявисмута и до 20°С для ртути. Целью исследований был анализ фрагментоврасплава, после его охлаждения в жидкости.

Было выявлено, чтофрагментация не наблюдается при охлаждении в насыщенной жидкости.Напротив, в сильно недогретой воде, с температурой 20°С фрагментациярасплава наблюдалась очень часто. Размер образовавшихся осколков(степень фрагментации) зависит от начальной температуры образца.Рис.1.38. Влияние начальной температуры охлаждающей жидкости нафрагментацию: a) Висмут 324°С в воде 20°С, b) Висмут 601°С в воде 20°С с)Висмут 871°С в воде 20°С d) Висмут 829°С в жидком азоте -210°С e) Висмут820°С в воде 95°С [51].С ростом температуры расплава увеличивается степень фрагментациикапли жидкого металла, как это показано на рис.1.38.Авторыработы[44]провелиболее300маломасштабныхэкспериментов по изучению процессов, сопровождающих взаимодействиераскаленного жидкого металла с объемом воды.

Расплавленный металл с57температурой от 250 до 1000°С падал с высоты 30мм в объемдистиллированной дегазированной кипячением воды.Рис.1.39. Схема экспериментальной установки [44]При прохождении капли сквозь луч лазера, с помощью фото датчикавключалась измерительная аппаратура. Две стенки бака с водой былисделаны из плексигласа, что позволило вести высокоскоростную съемку(5000 кадров/с). Схема экспериментальной установки представлена нарис.1.39.Авторы обнаружили, что размеры и форма осколков капли сильнозависят от начальной температуры расплава. Оказалось, что капляподвергается дроблению в ограниченном температурном диапазоне от 250 до1000°С.

При относительно высоких или низких температурах расплав нефрагментируется. Форма частиц представлена на рис.1.40.58Рис.1.40. Фрагментация оловянной горячей капли в 65°С воде.Начальная температура олова: а) 250°С, b) 1000°С, c) 370°С, d) 450°С [44].Было проведено исследование по выявлению взаимодействия расплаввода, в зависимости от температуры воды и начальной температуры каплирасплава.Рис.1.41. Граница взрывного (кружки) и спокойного охлаждения(крестики) [44].59Из рис.1.41хорошовидно, что взрывное взаимодействие ненаблюдается, ни при каких температурах расплава, если температура воды неопускается ниже 80°С. Также, взрывное взаимодействие отсутствует, еслиначальная температура олова ниже 300°С.

На рис.1.42 представлена степеньфрагментации капли, в зависимости от температуры воды. Было выяснено,что дробление капли происходит при температурах воды не превосходящих80°С.При этом максимальное дробление наблюдается в интервалетемператур от 30 до 60°С.Рис.1.42 Зависимость степени фрагментации от температуры воды [44].В конце обзора этой интересной и очень информативной статьиприведем график времени задержки от момента соприкосновения каплиолова с поверхностью воды до момента взрыва, от температуры воды.Рис.1.43. Время задержки от начальной температуры воды и расплава.60Из рис.1.43 заметна тенденция к резкому росту времени задержки вокрестности температуры воды в 70°С и начальной температуры капли800°С.Как итог, отметим следующее. В ходе всесторонних исследованийвыявленминимальныйнедогревводыдотемпературынасыщения,необходимый для возникновения взрывного взаимодействия капли олова сводой.

Этот недогрев должен быть ΔТ>20°C. Обнаружена минимальнаяначальнаятемпературарасплаваТ=300°С,нижекоторойвзрывноевзаимодействие также не обнаруживается. Стоит отметить и минусы даннойработы.Методикапроведенияэтихэкспериментов,какилюбыхэкспериментов с падающей расплавленной каплей, не позволяют измерятьточную температуру в момент начала взрывного взаимодействия.Рис.1.44.

Граница взрывного вскипания оловянного расплава в водепри разных числах Вебера [45].В работе [45] рассматривалось тепловое взаимодействие каплирасплавленного олова с водой на установке типа ударной трубы. Результатыэкспериментов показывают (рис.1.44), что существует зона взрывноговзаимодействия капли расплава с водой. Эта зона лежит в уже указанныхвыше пределах, но зависит от числа We. Оказывается, что с увеличениемскорости падения, этот температурный интервал расширяется, что связано,61вероятно, с дестабилизацией паровой пленки.

Данный факт также «роднит»паровой взрыв с явлением микро-пузырькового кипения.Обратимся к работе японских ученых [46]. Они изучали процессвозникновенияпаровогоЭкспериментальнаяэкспериментальнойвзрыва,установкасекцииииусловия,состояласистемынаизэтосистемынаблюдения.влияющие.нагрева,Расплавленныеоловянные капли падали из печи в объем с водой. Начальная температурарасплава лежала в диапазоне от 200 до 600°С, а начальная температура водыот 10 до 70°С. Масса капли расплава составляла 3 грамма.