ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2009, том 47, № 6, с. 891-898
УДК 536.423.1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВНОГО ВСКИПАНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ВОДЫ НА ГОРЯЧЕЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СМЕНЕ РЕЖИМОВ КИПЕНИЯ © 2009 г. В. Г. Жилин, Ю. А. Зейгарник, Ю. П. Ивочкин, А. А. Оксман, К. И. Белов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 30.12.08 г.
Разработана и описана методика оценки площади соприкосновения при контакте холодной воды с горячей полусферической поверхностью. В условиях резкой смены режимов кипения (от пленочного к пузырьковому) проведены синхронные измерения импульсов давления в жидкости, температуры тела и характеристик контакта нагретого тела с охладителем. Определены характерные особенности исследуемых процессов, которые в значительной степени определяются температурой полусферы, ее теплофизическими свойствами и наличием поверхностных пленок окислов. Установлено, что максимальное значение амплитуды импульсов давления, достигающее в опытах ~1 МПа, наблюдается в области температур горячего тела, близких к значению температуры предельного перегрева воды. Получены зависимости скорости растекания жидкости и времени задержки ее взрывного вскипания с момента вскипания от температуры полусферы.
РАСЯ: 44.35.+С
ВВЕДЕНИЕ
Знание закономерностей перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому важно для многих технологических процессов [1]. Особую роль это явление играет при инициировании парового взрыва, вызванного спонтанной фрагментацией капель горячего теплоносителя при их попадании в холодную жидкость [2]. Общепринято считать, что механизм дробления этих капель связан с взрывным разрушением (сходом) паровых оболочек, окружающих перегретые капли. В современной литературе имеется более десятка оригинальных гипотез, описывающих механизм фрагментации [3]. Вместе с тем детали физических процессов, сопутствующих коллапсу паровой полости, изучены недостаточно полно. В частности, в проведенных ранее экспериментах относительно мало внимания уделялось вопросам, посвященным изучению контакта горячих и холодных сред, а также учету специфических методических проблем, возникающих при детальном изучении характеристик импульсов давления. В представленной статье описаны и анализируются новые экспериментальные результаты, позволяющие прояснить данные вопросы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
На основании результатов проведенных нами ранее экспериментов [4—6] можно полагать, что процесс разрушения паровой оболочки, включая момент первичного соприкосновения горячей и
холодной сред, протекает на твердых и жидкоме-таллических перегретых поверхностях схожим образом. Поскольку методика проведения опытов на твердых металлических образцах значительно проще, а их возможности в плане вариации свойств и контроля состояния поверхности значительно шире, то опыты, моделирующие начальную стадию разрушения паровой пленки на горячей жидкометаллической капле, были выполнены на перегретых полусферических твердых поверхностях, погруженных в холодную воду.
Схема экспериментальной установки и проводимых на ней основных измерений показана на рис. 1. Рабочий участок представлял собой цилиндрический медный стержень, на торце которого монтировался наконечник — цилиндрический стержень диаметром 10 мм с полусферическим окончанием. В опытах использовались наконечники, изготовленные из нержавеющей стали (марка Х18Н10Т), меди (М1) и латуни (Л62). Рабочий участок мог нагреваться посредством электрического тока, пропускаемого через электроизолированную спираль, намотанную на медный стержень. Наконечник, так же как и нагреватель, был теплоизолирован по всей поверхности, за исключением полусферической части.
Эксперименты происходили следующим образом. В исходном (поднятом) положении наконечник сначала в течение нескольких десятков секунд нагревался с помощью пропановой горелки. Это приводило к образованию на поверхности наконечника окисной пленки и отложений. Затем образец остывал и вновь нагревался уже с по-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки и основных измерений: 1 — осциллограф National Instruments (NI); 2 — АЦП NI; 3 — компьютер для записи данных со скоростной видеокамеры; 4 — крейт PXI NI; 5 — блок обработки сигналов с датчика давления, в том числе усилитель заряда; 6 — термопарный усилитель; 7 — пьезоэлектрический датчик давления; 8 — рабочий участок с нагревателем и вмонтированными термопарами; 9 — резистор; 10 — батарейка типа "Крона"; 11 — видеокамера; 12 — координатное устройство; 13 — емкость с водой; 14 — электрод; 15 — термопары.
мощью электрического нагревателя в атмосфере аргона. После этого электрический нагреватель отключался, а горячий рабочий участок с помощью специального координатного устройства со скоростью несколько миллиметров в секунду погружался в заполненную дистиллированной водой ванну на глубину радиуса полусферы. Начальное значение температуры полусферы, близкое к ~500°С, выбиралось из соображений получения режима устойчивого пленочного кипения, а применяемая методика нагрева позволила простым способом реализовать в опытах взрывной сход паровой пленки с нагретой поверхности. В опытах использовалась дистиллированная вода комнатной температуры (18°С), дегазированная посредством двухчасового кипячения.
Наблюдения осуществлялись с использованием микроскопов и видеокамер. Измерения, выполненные с помощью хромель-алюмелевых термопар, заделанных в капилляры из нержавеющей стали, помимо мониторинга температуры в центре полусферы и различных частях рабочего участка (см. описание температурных измерений в [7]) позволили также с достаточной точностью контролировать значение плотности теплового потока на полусферической поверхности в режиме пленочного кипения.
В качестве датчиков давления использовались малоинерционные пьезоэлектрические преобразователи фирмы Ю8Йег 601А (предел измерений —
25 МПа; чувствительность — 14.74 пКл/бар; резонансная частота «150 кГц, диаметр мембраны — 5.5 мм), работающие совместно с усилителем заряда типа Kistler 5015. Измерения и обработка сигналов, поступающих с датчиков, осуществлялись в программной среде Labview c использованием аппаратуры фирмы National Instruments. Характерная скорость оцифровки соответствовала 5 х 105 изм./с.
Характеристики процесса соприкосновения воды с горячей поверхностью определялись так же, как и в работе [8], посредством измерения значения падения напряжения на сопротивлении, входящем в замкнутую электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока (батарейка типа "Крона"), двух электродов (один из которых — рабочий участок, а другой — медная пластина, помещенная в воду), соединительных проводов, объемов воды и водяного пара. При отсутствии контакта воды с нагревателем общее сопротивлении цепи, определяемое электрическим сопротивлением прослойки пара, максимально, а ток и падение напряжения на образцовом сопротивлении — минимальны. В момент соприкосновения нагревателя с водой в измерительной цепи резко возрастает электрический ток, значение которого меняется в зависимости от площади контакта.
Калибровочная зависимость падения напряжения на образцовом сопротивлении от эквива-
Падение напряжения и, В 8.4
0.2
экв х 10, МПа
-2 0
4 6 8 10 12 14 Диаметр проволоки Л, мм
Рис. 2. Калибровочная зависимость относительного изменения падения напряжения на образцовом сопротивлении от диаметра проволоки.
лентного диаметра площади соприкосновения (рис. 2) была получена в специально поставленном эксперименте, в котором пятно контакта моделировалось площадью торцевой поверхности изолированной с боков медной проволоки (см. вставку на рис. 2). Один из концов проволоки 1, диаметр которой в экспериментах варьировался от 30 мкм до 15 мм, был припаян к торцу 3 полусферической поверхности рабочего участка 2, а другой погружался на несколько миллиметров в воду. Достоверность предложенной методики подтверждается удовлетворительным совпадением значения площади контакта, вычисленного по калибровочной зависимости, с площадью полусферы в условиях, когда процесс пузырькового кипения наблюдается на всей ее поверхности.
Важной методической проблемой, возникающей при измерении давления с помощью пьезоэлектрических датчиков, является влияние импульсного воздействия температуры на их показания. В опытах датчики располагались в воде на различном удалении от нижней части полусферы, причем минимальное расстояние составляло 5 мм. В этих условиях, помимо непосредственно давления, на показания датчиков могут оказать влияние температурные эффекты. В частности, они могут быть вызваны кратковременным попаданием чувствительного элемента преобразователя, обычно находящегося в холодной жидкости, в среду "парового облака", образующегося при взрывном разрушении парового слоя. Согласно прилагаемым паспортным данным, температурный коэффициент чувствительности датчика к = 0.001 К-1. Численные оценки, проведенные на основании этого значения, свидетельствуют о предполагаемом слабом влиянии температурного фактора. Однако
0.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-
— Температура
10
20
30
40 50 Время, с
Рис. 3. Характерный вид осциллограммы показаний пьезоэлектрического датчика давления, подверженного ступенчатому (в течение 3 с) воздействию потока нагретого воздуха. Температура воздуха 180°С. На врезке — схематичное изображение условий эксперимента: 1 — датчик давления, 2 — поток нагретого воздуха.
паспортные характеристики оказались справедливы лишь для условий, когда все части датчика (мембраны, корпус, пьезоэлемент и т.д.) одинаково прогреты и имеют постоянную температуру. В наших опытах эти условия заведомо не выполняются. Поэтому были проведены специальные эксперименты (см. вставку на рис. 3) по изучению влияния температурных импульсов на показания пьезоэлектрических датчиков. В экспериментах чувствительный элемент преобразователя в течение относительно короткого промежутка времени (~0.5—10 с) подвергался воздействию движущегося на него со скоростью несколько метров в секунду потока нагретого воздуха. Диапазон изменения температуры набегающего газа — 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.