ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 1, с. 77-84
УДК 532.529
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ
ПРИ ИСПАРЕНИИ ЖИДКОСТИ НА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
© 2007 г. В. В. Кузнецов, О. В. Витовский, В. А. Красовский
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск Поступила в редакцию 18.10.2005 г.
В работе экспериментально исследовано влияние температурного напора на течение испаряющейся пленки жидкости, ограниченной линией смачивания или ребрами, на вертикальной поверхности нагрева. Опыты проведены при испарении фреона R11 в среде собственного пара на вертикальной медной пластине, в том числе при наличии оребрения. Осуществлялась визуализация течения. Проанализировано влияние интенсивности испарения в окрестности контактной линии жидкость-пар-стенка на условия разрыва пленки и форму образующегося ручейкового течения. Показано, что для ручейкового течения на поверхности нагрева имеет место не растекание жидкости, а ее стягивание вниз по потоку даже при равновесном краевом угле смачивания, близком к нулю. Причиной этого является интенсивное испарение жидкости в области контактной линии жидкость-пар-стенка, где пленка жидкости имеет минимальную толщину, изменение кривизны межфазной поверхности в этой области и установление теплового контактного угла. Определена зависимость теплового контактного угла от температурного напора. Выполнены динамические измерения локальной толщины стекающих пленок жидкости с помощью емкостного измерителя и проведен спектральный анализ волн, возникающих вследствие неустойчивости пленочного течения на поверхности испаряющейся пленки.
PACS: 47.15.gm
ВВЕДЕНИЕ
Течения пленок широко встречаются в технике. Малое тепловое сопротивление и большая поверхность контакта фаз делают пленку жидкости эффективным средством интенсификации процессов межфазного тепло- и массообмена. В настоящее время значительное внимание уделяется исследованию течения пленки жидкости в прямоугольном канале малого размера и на оребренной поверхности нагрева. Это связано с широким применением компактных испарителей-конденсаторов и массообменных устройств, в основу работы которых положено увеличение удельной поверхности за счет уменьшения размера каналов или оребрения стенок. В таких каналах пленка может распадаться на ряд ручейков с образованием сухих областей между ними, ограниченных контактной линией жидкость-пар-стенка. Важным при изучении пленочного течения является вопрос о тепло- и массообмене в окрестности контактной линии жидкость-пар-стенка при испарении жидкости в среде собственного пара. В работе [1] показано, что пленка жидкости в прямоугольном канале малого размера распределена крайне неравномерно по периметру канала и имеет вблизи углов участки с наименьшей толщиной. В [2] показано, что в нагреваемом прямоугольном канале малого размера интенсивное испарение жидкости проис-
ходит в областях наименьшей толщины пленки, что приводит к пересыханию и образованию сухих областей на стенке. В результате формируется течение, в котором часть жидкости течет в окрестности углов канала, а часть жидкости -вдоль стенок в виде ручьев. В данном случае при полном смачивании стенки жидкостью наблюдаются аномально высокие значения коэффициента теплоотдачи в окрестности контактной линии жидкость-пар-стенка. В ряде работ [3-7] рассматривалось влияние видимого контактного угла смачивания для протяженного мениска на коэффициенты теплоотдачи. В [8-11] теоретически исследовалось растекание капли по горизонтальной нагретой поверхности. Теоретический анализ в этих работах проводился в рамках приближения ползущего течения, что является вполне справедливым для данных задач. В работах [12, 13] приведены результаты исследования стекающих по вертикальной поверхности пленок криогенной жидкости. В [12, 13] течение пленки жидкости осуществлялось в среде собственного пара, при этом использовались локальные нагреватели различного размера. С помощью емкостного метода измерения толщины пленки получены опытные данные по волновым характеристикам в интенсивно испаряющихся пленках насыщенной жидкости. Экспериментально показано, что при ла-минарно-волновом режиме течения интенсивное
Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 - конденсатор, 2 - бак-накопитель, 3 - вентили, 4 - ротаметр, 5 - рабочая секция, 6 - камера, 7 - формирователь струи.
пленочное испарение имеет место в ложбинах между крупными волнами, где пленка имеет минимальную толщину остаточного слоя. Такой режим течения может приводить к существенному возрастанию амплитуды крупных волн и разрывам пленки с образованием сухих пятен. В работе [14] показано, что при ручейковом течении на вертикальной нагреваемой поверхности в среде собственного пара устанавливается тепловой контактный угол, который существенно больше равновесного угла смачивания. Тепловой контактный угол определен в [14] как видимый контактный угол (угол наклона касательной к межфазной поверхности на стенке в поперечном сечении пленки жидкости, ограниченной линией смачивания), величина которого существенно зависит от температурного напора. Численные расчеты [14] показали, что интенсивное испарение жидкости имеет место вблизи контактной линии жидкость-пар-стенка, что является основной причиной деформирования межфазной поверхности в этой области, установления теплового угла и уменьшения площади смоченной поверхности для ручейкового режима течения.
В данной работе экспериментально исследовано влияние температурного напора на течение испаряющейся пленки фреона R11, ограниченной линией смачивания или ребрами, по вертикаль-
ной поверхности нагрева. Исследовано влияние интенсивности испарения в окрестности контактной линии жидкость-пар-стенка на форму ручей-кового течения и определена зависимость теплового контактного угла от температурного напора для чисел Рейнольдса на выходе из формирователя от 10 до 135. С помощью емкостного измерителя изучено изменение локальной толщины испаряющихся пленок жидкости для различных температурных напоров. Проведен спектральный анализ волн, возникающих вследствие неустойчивости пленочного течения на поверхности испаряющейся пленки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД
Экспериментальное исследование ручейкового и пленочного течения на оребренной вертикальной нагреваемой пластине проводилось на фреоновом контуре, схема которого показана на рис. 1. В качестве рабочей жидкости использовался фреон R11, который перетекал из верхнего термостатированного бака-конденсатора 1 в нижний бак-накопитель 2. Расход жидкости регулировался вентилем 3 и контролировался с помощью ротаметра 4. Процесс перетока жидкости продолжался длительное время, что позволяло системе достигать термодинамического равновесия. Полированная медная пластина размером 285 х 120 х 10 мм, нагреваемая с внешней стороны элементом Пельтье, являлась стенкой рабочего участка 5. Холодная сторона элемента Пельтье термостатировалась, что позволило обеспечивать условие постоянства температуры внутренней стенки рабочего участка. Через противоположную стенку участка, выполненную из стекла, проводилась фотосъемка процесса на видеокамеру 6. В процессе эксперимента исследовалось течение испаряющихся пленок, ограниченных линией смачивания и ребрами.
Схема рабочего участка для исследования пленки, ограниченной линией смачивания, представлена на рис. 2а. Фреон R11 через трубку подачи 4 поступал в емкость постоянного уровня 1, откуда через формирователь струи 2 с размером открытого сечения 4.5 х 0.6 мм попадал на нагреваемую медную пластину. В центральной части пластины располагался емкостный датчик 3 для измерения локальной толщины пленки жидкости. Датчик (диаметром 1.5 мм) вмонтирован в медную стенку и отшлифован заподлицо, чтобы не создавать возмущений в стекающей пленке жидкости. В ходе эксперимента измерялись температуры жидкости, пара и стенки с помощью медь-константановых термопар Т1 = Ть, Т2 = Т3, Т3 = Тш и давление внутри секции Р3. Течение жидкости формировалось в окружении насыщенного пара. Измерения проведены в диапазоне температур от ДТ = 0 до АТ = 0.8 К.
На рис. 3 приведена схема двух характерных поперечных сечений пленки жидкости, ограни-
6
Рис. 2. Схемы рабочих участков: (а) - для исследования ручейкового течения, (б) - пленки жидкости на оребренной пластине. 1 - емкость постоянного уровня и пленкоформирователь, 2 - формирователь струи жидкости, 3 - емкостный измеритель толщины пленки жидкости, 4 - линия подачи фреона. Т1 - температура жидкости, Т2 - температура пара, Т3 - температура стенки.
ченной линией смачивания, для нулевого температурного напора 1 и для ДТ ~ 0.5 К - 2. По результатам измеренной толщины Нтах и полуширины ручейка а рассчитан тепловой краевой угол 0. Тепловой краевой угол определялся в предположении о полупараболическом профиле скорости жидкости в пленке с постоянным радиусом кривизны. Для расчета теплового угла смачивания использовалась система уравнений
а
б = | к3 ёх, к = -агс^ (0) +
о
+л/а2^2(0) - х2 + а2 или
при x = 0:
= H =
-(1-cos (0)).
sin (0)
Здесь Q - объемный расход жидкости в пленке; Hmax - максимальная толщина пленки, измеренная емкостным датчиком; a - полуширина пленки; g - гравитационная постоянная; v - кинематическая вязкость. Систему уравнений можно решать, используя в качестве известных параметров расход жидкости и одну из двух измеренных величин - толщину или полуширину пленки.
Ширина пленки измерялась с помощью луча лазера, закрепленного на координатном устройстве, на расстоянии 80 мм от пленкоформирова-теля, как и толщина. Погрешность измерения ширины пленки не превышала 4%.
Схема рабочего участка для исследования пленки, ограниченной ребрами, представлена на рис. 26. Для формирования пленки жидкости на вертикальной пластине использовались пленко-формирователи 1, с размерами открытого сечения 50 х 0.08 и 25 х 0.08 мм. С боков пленка жидкости ограничивалась металлическими ребрами, что позволяло моделировать течение в прямоугольном канале шириной 50 и 25 мм. В процессе эксперимента емкостным датчиком 2 измерялась локальная толщина пленки для различных тем
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.