научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВНОГО ВСКИПАНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ВОДЫ НА ГОРЯЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СМЕНЕ РЕЖИМОВ КИПЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗРЫВНОГО ВСКИПАНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ВОДЫ НА ГОРЯЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СМЕНЕ РЕЖИМОВ КИПЕНИЯ»

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.

Показать целиком