Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 8

Процесс падения ивзрывного взаимодействия капли с водой снимался на высокоскоростнуювидеокамеру. Схема установки представлена на рис.1.45.Рис.1.45. Схема экспериментальной установки [46].На рис.1.46 приведены последовательные кадры падения расплава вводу, с последующим паровым взрывом. Температура олова в этом опытесоставляла 500°С, а температура воды 30°С.Рис.1.46. Падение расплава в воду с последующим взрывнымвскипанием [46].62Главный,длянас,результатработысостоиттемпературных границ существования паровоговопределениивзрыва. Комбинациятемпература капли-температура жидкости, при которой наблюдается паровойвзрыв схожа с полученными другими авторами и представлена на рис.1.47.Граница по температуре воды несколько ниже и составляет 60°С, а потемпературе расплава выше и составляет 400°С.Рис.1.47.

Граница взрывного и спокойного режима кипения[46]Отметим комплексные исследования, проведенные отечественнымиспециалистами в ОИВТ РАН и наиболее полно изложенные в [51].Рис.1.48. Схема экспериментальной установки [51].63Исследователямибылипроведеныэкспериментыпоизучениюпроцесса перехода от пленочного кипения к пузырьковому применительно кявлению парового взрыва. Принципиальная схема установки изображена нарис.1.48.Методика проведения эксперимента следующая.

После нагреварабочего участка он погружался в объем с водой. Температура рабочегоучастка лежала в диапазоне 300-700°С. Температура воды изменялась от 15до 95°С. Процесс схода паровой пленки наблюдался визуально, ссинхронным измерением температуры, давления, звуковых эффектов,толщиныпленкипараипараметровсоприкосновениясгорячейповерхностью. Исследователи установили, имеются различия в характересхода паровой пленки при высоких и низких температурах воды.

Граничнаятемпература, отделяющая взрывное вскипание жидкости от спокойногоравнялась Т = 80°С (рис.1.49).Рис.1.49. Граница возникновения колебаний [52].Авторами обнаружен режим со стабильными колебаниями паровойпленки, который не приводит к взрывному сходу пленки. Температурныеобласти возникновения таких колебаний близка к верхней границе зоныфрагментации капель жидкого олова, другими словами маломасштабногопарового взрыва.64Темп охлаждения центра полусферы в режиме взрывного вскипанияжидкости составлял 300К/с, что в 3 раза быстрее, чем при «спокойном» сходепаровой пленки (рис.1.50). Режим схода паровой пленки зависит оттемпературы охлаждающей жидкости.

Режим с высокой интенсивностьютеплообмена наблюдался при температурах воды ниже 80°С.Рис.1.50. Термограммы спокойного и взрывного схода паровойпленки[52].Также было выявлено влияние растворенных газов и примесей наповерхности. Они уменьшают стабильность паровой пленки и способствуютболее быстрому её разрушению. В условиях резкой смены режимов кипенияфиксировались одиночные импульсы давления с амплитудой до 1МПа,которые могут служить триггером для возникновения спонтанного паровоговзрыва.Эти же авторы в статье [52] высказали предположение об отсутствиифрагментации горячих капель при малых недогревах охладителя: «Можнопредполагать, что отсутствие тонкой фрагментации горячих капель ипарового взрыва при малых недогревах холодного теплоносителя может бытьобусловлено этим увеличением толщины парового слоя, вызванногоинтенсификацией испарения с поверхности раздела, резким снижениемвероятности прямого контакта горячей и холодной жидкостей, взрывноговскипания холодной жидкости и генерации импульса давления».65Выводы по 1 главе.Как показывает анализ научных работ, можно констатировать, что: имеются надежные расчетные соотношения для устойчивогопленочногокипениянасыщенныхислабо-недогретыхжидкостей. существуетособыйрежимкипения,характеризующийсявысокими значениями КТО в условиях, когда прямой контактжидкость-стенка невозможен (Тс > Tcr).

В настоящей работе дляего обозначения используются как равнозначные термины“микропузырьковоекипение”и“режиминтенсивноготеплообмена при пленочном кипении недогретых жидкостей”. температураповерхности,микропузырьковоепринимаетсязакипение,примногимитемпературукоторойвозникаетавторамиЛейденфроста.неверноОбычностемпературой Лейденфроста связывают возможность прямогоконтакта жидкости с нагретой стенкой, что невозможно в режимеинтенсивного пленочного кипения. большое количествоисследований указываетна то, чтомикропузырьковое кипение может служить триггером длявозникновения парового взрыва. в настоящее время отсутствует не только количественная теориятеплообменаприпленочномкипениисильнонедогретойжидкости, но и убедительное качественное объяснение высокойинтенсивности переноса тепла между перегретой твердойповерхностью и недогретой жидкостью, в условиях, когдапрямой контакт жидкость-стенка невозможен (противоречиттермодинамике).Такимобразом,экспериментальноеисследованиеинтенсивногопленочного кипения недогретых жидкостей, становится критически важнымшагом для выявления закономерностей этого явления.66Глава 2.

Экспериментальное исследование и расчетпроцессовохлаждения металлических тел в жидкостяхКак понятно из Обзора, неустойчивое нестационарное пленочноекипение (один из синонимов – «микропузырьковое» кипение) оченьмногофакторный и сложный процесс. Анализ научной периодики показал,что существует весьма ограниченное количество экспериментальных работна эту тему. Физических моделей, объясняющих механизм отвода такихвысоких плотностей энергии,не представленововсе. Именно поэтому,главной целью данной работы являлось систематическое накоплениеэкспериментальных данных, которые бы отражали влияние недогрева,избыточного давления, рода материала и охлаждающей жидкости назакономерности теплообмена неустойчивого пленочного кипения.Так как данная работа больше ориентирована на эксперимент,остановимся более подробно на его описании и методике.2.1.

Описание экспериментального стендаПрограмма выполненных исследований включает эксперименты сиспользованием шаров разного диаметра из различных металлов в различныхохлаждающих жидкостях. Стенд рассчитан напроведение опытов винтервале давлений от атмосферного до 10МПа и температур охлаждающейжидкостиот-80ºСдо100ºС.Экспериментальныйстенд«Режимыохлаждения высокотемпературных поверхностей» был создан в 2013 году попрограмме развития материальной базы НИУ «МЭИ». Фотография стендапредставлена на рис. 2.1., а рабочая схема на рис.2.2.67Рис.2.1.

Фотографии экспериментального стенда: a) сварочные работы,b)примерсварногошва,c)опрессовкаустановки,d)готоваяэкспериментальная установка.Основой стенда является герметичный корпус экспериментальнойкамеры (6) выполнен из нержавеющей стальной трубы внешним диаметром219 мм с толщиной стенки 10мм. В его верхней части размещена меднаякатушка внутренним диаметром 50мм (2) ВЧ индукционного нагревателя (3);в нижнюю часть объемом 25л заливается охлаждающая жидкость,температура которой поддерживается на заданном уровне с помощьютермостата (8) мощностью 1,9 КВт и связанного с ним погруженного вжидкость змеевика (7) с площадью поверхности теплообмена 0,224 м2.68Рис.2.2. Схема экспериментального стенда: 1-рабочий участок; 2катушка индуктора; 3-ВЧ индуктор; 4-механизм перемещения рабочегообразца;5-диафрагма;6-экспериментальнаякамера;7-спиральтеплообменника; 8- термостат с циркуляционным контуром; 9-баллон сосжатым инертным газом; 10- редуктор и манометр; 11-термопары рабочегообразца; 12-измерительный модуль; 13-персональный компьютер; 14скоростная цифровая видеокамера; 15-система освещения.Зона нагрева отделена от объема жидкости тонкой металлическойдиафрагмой (5), экранирующей охлаждающую среду от теплового излученияи брызг охлаждающей жидкости.

Металлический шар (1) в началеэксперимента посредством рычажной системы перемещения рабочегообразца (4) устанавливается внутри катушки (2). Нагрев контролируется спомощью размещенных внутри шара термопар. Мощность ВЧ индуктора69составляет 7.5 кВт, что позволяет получить высокую скорость нагрева; вщадящем режиме, обеспечивающем равномерный контролируемый прогрев,шар нагревается до 800ºС менее чем за 5 минут. Предусмотрена возможностьпроведения нагрева рабочего образца в среде инертного газа (аргона илиазота), поступающего из баллона (9).Нагретый шар перемещается в объем охлаждающей жидкости науровень смотровых окон, выполненных из кварцевого стекла толщиной10мм.

Во время охлаждения сигнал от термопар (11) поступает черезконнектор NI SCXI-1303 на измерительный модуль NI SCXI-1102 (12),который является частью сборки на основе NI SCXI-1001. Регистрациясигнала от каждой термопары осуществляется с частотой 100 Гц.

Результатыизмерений через USB-интерфейс поступают на персональный компьютер(13), где в программе Lab View строится зависимость температуры отвремени. В ряде режимов одновременно с получением термограммосуществляетсясъемкапроцессов,происходящихнаповерхностиохлаждаемого шара, на скоростную цифровую видеокамеру (14) впроходящем свете от галогенной лампы (15); видеозапись сохраняется нажестком диске персонального компьютера.Корпус стенда термоизолирован минеральной ватой толщиной 50 мм иобмотан армированным скотчем.