ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
Физико-математические науки
Физика
Теплофизика и теоретическая теплотехника
Дмитриев А. С., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой Макаров П.Г., аспирант (Национальный исследовательский университет «МЭИ») Эльбуз M.A., аспирант (Национальный исследовательский университет «МЭИ», Университет Мансура (Египет))
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ В МЕЗОСТРУКТУРАХ МИКРОСФЕР (РЕЖИМ «ПРЫГАЮЩИХ» ПУЗЫРЕЙ)
В работе исследован новый режим пузырькового кипения дистиллированной воды на подложке из мезоструктуры монодисперсных и/или полидисперсных микросфер различных материалов. Экспериментально обнаружено, что в отдельных режимах пузырькового кипения наблюдается возникновение режима «прыгающих пузырьков», которые захватывают некоторое число микросфер и поднимаются на некоторую высоту, но, не достигнув поверхности, опускаются вместе с микросферами на дно контейнера. Обнаружены также подрежимы такого механизма кипения для различных по плотности и размеру микросфер.
Ключевые слова: пузырьковое кипение, прыгающие пузыри, микросферы.
STUDY OF NUCLEATE BOILING INSIDE MESOSTRUCTURES OF MICROSPHERES
(REGIME OF «JUMPING» BUBBLES)
In this paper a new mode of nucleate boiling of distilled water on the mesostructured substrate of monodisperse and/or polydisperse beads of different materials has been studied. Experiments showed that in some modes of nucleate boiling regime the occurrence of "jumping bubbles" was observed (jumpingpool boiling). "Jumping bubbles" captured a number of microspheres and climbed to a certain height, but before reaching the subcooled liquid, lowered together with the microspheres on the bottom of the container. Also submodes were found of such a boiling mechanism for various density and size of the microspheres.
Keywords: pool boiling, jumping bubbles, microspheres.
Исследованные на сегодня процессы пузырькового кипения хорошо поняты для кипения на различных подложках и для разных жидкостей [1-4]. Также хорошо изучены процессы кипения как внутри пористой среды, так и на ее поверхности. В последнем случае пористая среда выступает как пассивная, т.е. материал пористой среды всегда неподвижен относительно движущейся жидкости и пузырьков пара [5]. В данной работе впервые изучена активная среда, где в процессе кипения принимают участие три фазы - жидкость, пар и твердые микросферы. Такая активная среда обнаруживает целый ряд особенностей даже в пузырьковом режиме кипения в свободном объеме недогретой жидкости. Более ранние исследования такой системы авторами не обнаружены.
В качестве мезоскопической структуры применялся монослой монодисперсных (РЬ 95% + БЬ 5%; ё=150-300 мкм) и полидисперсных (А1; ё=200-450 мкм) микросфер, изготовленных по технологии вынужденного капиллярного распада струй [6], которые находились на дне чашки Петри (рис.1). Снизу чашки Петри находился электрический нагреватель с регулируемой температурой. В чашку наливалась дистиллированная вода, которая покрывала слой микросфер примерно высотой 10-30 их диаметров. Все эксперименты проводились в чашках Петри, изготовленных из стекла, диаметром 93 мм, толщина стенок 3,5 мм. Температура измерялась двумя способами: с помощью инфракрасного бесконтактного термометра и контактными термопарами (ТХК, ТХА). Для видеосъемки процессов применялись цифровая видеокамера и оптический микроскоп Мойс.
Рис.1. а) Монослой монодисперсных микросфер (диаметр 300 мкм); б) изображение «прыгающих» пузырей на мезоскопической поверхности в режиме пузырькового кипения.
Сначала внутрь чашки Петри помещались микросферы из сплава РЬ95%+БЬ5%. Затем наливалась дистиллированная вода (10-30 диаметров микросфер) и чашка Петри ставилась на нагреватель. Поверхность жидкости была свободной и жидкость, следовательно, была не-догретой и свободно испарялась в окружающее пространство. Хотя опыты проводились при различных температурах окружающей среды и ее влажности, это не влияло на основные результаты при изучении пузырькового кипения. При температуре от 140-1500С (жидкость не-догрета и температура начала кипения выше, чем температура насыщения; перепад температур между жидкостью и нагревателем около 250С из-за термического сопротивления материалов) начиналось активное зарождение пузырей пара под микросферами. Следует особо подчеркнуть, что механизм роста пузырей отличался от классического [2], поскольку нагрев пара в пузыре происходил не только за счет теплоты от нагревателя, но и за счет теплопереноса через боковые поверхности микросфер, что заметно изменяло скорость роста пузырей.
При достижении режима пузырькового кипения в недогретой жидкости наблюдалось несколько необычных режимов поведения пузырей, которые отрывались от мезоскопической поверхности микросфер. При этом опыты на сплаве РЬ95%+БЬ5% и на оксиде алюминия дали различные подрежимы кипения.
В первом режиме, когда микросферы представляли собой свинцовые монодисперсные гранулы, наблюдался эффект генерации пузырей, которые локально захватывали несколько микросфер и поднимались к поверхности жидкости. Однако, не дойдя до поверхности, они останавливались и начинали опускаться вниз до поверхности нагрева (на рис.1 пузыри показаны сверху, а на рис.2а - сбоку). Далее процесс повторялся периодически в избранных центрах кипения в течение длительного времени. Схема такого процесса (один цикл) представлена на рис.2б. Во втором режиме кипения, когда микросферы представляли собой полидисперсные микрогранулы с разбросом более 30-40% от исходного диаметра (около 200 мкм) и были изготовлены из более легкого металла - алюминия, наблюдался совершенно иной процесс. В этом случае микросфера покрывалась несколькими пузырьками пара и также подни-
малась к поверхности, но, не дойдя до нее, опускалась и процесс «прыгающих» пузырей с микросферами продолжался длительное время периодически.
а)|
------ «Прыгающие пузыри» с захваченными микросферами
•
Слои
дистиллированной воды
Слой микросфер Нагреватель-щ
«Прыгающие пузыри» с захваченными микросферами
Рис.2. Режим «прыгающих пузырей» а) фотография при пленочном кипении в недогретой жидкости в мезоструктуре микросфер; б) схема движения пузырей в мезоструктуре микросфер в режиме пузырькового кипения (показан один цикл)
Важно отметить, что в обоих случаях наблюдались устойчивые центры парообразования с захватом микросфер. Авторами разработаны модели описанных явлений, которые основаны на специфическом механизме капиллярного и адгезионного взаимодействия пара с микросферами, а также на неоднородности температуры жидкости при всплытии пузырьков. Основная идея состоит в том, что после генерации пузыря, последний захватывает несколько микросфер, поскольку его граница имеет некомпенсированную энергию, и поднимается вверх. При этом давление внутри пузыря и его температура соответствуют подъемной силе архимедова типа. Однако, когда пузырь с микросферами оказывается в слое недогретой жидкости, давление в нем и его объем уменьшаются и подъемной силы не хватает, чтобы поднимать пузырь с микросферами. В некоторой точке вес микросфер точно компенсируется подъемной силой, пузырь начинает опускаться (когезионная энергия на поверхности пузыря не позволяет микросферам от него оторваться). Наконец, достигнув дна, система пу-зырь+микросферы разрушается и процесс повторяется снова. На рис.3 представлена качественная схема распределения температуры в жидкости с монослоем микросфер (Ятб, - радиус микросфер, Т - температура насыщения). Иногда наблюдаются более сложные процессы захвата крупными пузырями большого числа микросфер в режиме «прыгающих» пузырей (рис.4). Нами также обнаружено, что существует определенная критическая температура кипения в режиме «прыгающих» пузырей, выше которой наблюдается обычное пузырьковое кипение. Подробные термогидродинамические модели указанных процессов будут представлены авторами отдельно.
Рис.3. Схема распределения температуры в жидкости с монослоем микросфер
Пузыри поднимают микросферы (от одной до N в зависимости от механизма выхода пара через структуру)
Рис.4. Захват крупными пузырями большого числа микросфер
Следует сказать, что в описанных эффектах, по существу, наблюдается своеобразная бифуркация в режимах кипения - ответвление на «пузырьковой» части кривой кипения нового режима теплообмена, который либо имеет более высокую теплоотдачу, либо более низкую, чем при кипении в чистой жидкости. В литературе нам не удалось найти аналогов описанного нами явления [1,2]. Процессу теплообмена в режиме кипения с «прыгающими» пузырьками будет посвящено отдельное исследование. Как было показано в [7], применение пористых сред, состоящих из одинаковых слоев материала, является эффективным методом пассивного повышения коэффициента теплопередачи при испарении/кипении и критического теплового потока.
Таким образом, обнаружен новый режим пузырькового кипения в присутствии мезоско-пической среды (микросфер), представляющий собой особый тип кипения, в котором активно участвует динамическая твердая фаза. Эксперименты показали, что кипение жидкости с засыпкой (монодисперсными микросферами) начинается быстрее, чем без нее. Кроме того, скорость зависит от размера и свойств металлических микросфер. Некоторые другие особенности указанного выше режима кипения приведены в [8]. Проведены также модельные расчеты, частично подтверждающие данные выводы. Наблюдаемый эффект может стать новым способом интенсификации тепло- и массообмена в различных устройствах.
Авторы благодарят за полезные обсуждения Е.В. Аметистова, И.И. Гогонина, Ю.А. Зей-гарника, В.В. Клименко, С. А. Ковалева, А.П. Крюкова и В.В. Ягова.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплоперенос. Москва, Энергоиздат, 1981,
2. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. МЭИ. 2000. 373 с.
3. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М. Атомиздат. 1979. 416 с.
4. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей. М: Энергоатомиздат. 1995. 400 с.
5. Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Испарение и кипение в тепловых трубах. М.Наука. 1989.
6. Аметис
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.