ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 6, с. 905-916
УДК 536.248
ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ ЖИДКОСТИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИИ
© 2007 г. А. Н. Павленко, А. С. Суртаев, А. М. Мацех
Институт теплофизики, СО РАН, г. Новосибирск Поступила в редакцию 27.08.2006 г.
Приведены результаты экспериментального исследования динамики развития теплообмена и кризисных явлений в стекающих волновых пленках азота при нестационарном тепловыделении с поверхности тонкостенного нагревателя. В экспериментах были исследованы переходные режимы с образованием сухих пятен и развитием кризиса осушения при ступенчатом и квазистационарном законах тепловыделения. Показано, что при малых значениях плотности теплового потока в кризисных режимах в условиях ступенчатого наброса распад ламинарно-волновой пленки жидкости происходит с возникновением метастабильных регулярных структур со струями жидкости и крупномасштабными несмоченными зонами между ними. На основе обобщения опытных данных показано, что величина характерного поперечного размера между струями жидкости более чем в два раза превышает соответствующие значения, полученные в условиях стационарного тепловыделения при граничном условии Тн ~ const. При высоких плотностях теплового потока интенсивное вскипание жидкости приводит к быстрому выбросу жидкости в виде капель и полному осушению (практически одновременно) всей теплоотдающей поверхности. В работе получены опытные данные по временам ожидания вскипания жидкости, развития регулярных структур и осушения теплоотдающей поверхности в зависимости от теплового потока в диапазоне изменения числа Рейнольдса ReBX = 90-1690. Из анализа опытных данных следует, что при расчете времени ожидания вскипания жидкости при ступенчатом тепловыделении в исследованном диапазоне изменения теплового потока необходимо учитывать развитие интенсивного испарения со свободной поверхности ламинарно-волновой пленки.
PACS: 47.15.gm
ВВЕДЕНИЕ
Пленочные течения жидкости широко используются в различных современных теплообмен-ных аппаратах, системах термостабилизации и других устройствах различного назначения. Обладая малым термическим сопротивлением пленки, жидкости обеспечивают перенос высоких плотностей теплового потока при малых температурных напорах. Как показывает анализ литературы [1-8], исследования теплообмена и развития кризисных явлений в стекающих пленках жидкости были проведены при стационарном тепловыделении. Известные экспериментальные исследования [1, 2] по изучению условий образования сухих пятен и развитию кризисных явлений в тонких стекающих пленках проводились как на сильно недогретых жидкостях, так и при кипении насыщенной жидкости. Достаточно обширный анализ проведенных исследований в этом направлении представлен в монографии [3] и обзорной работе [4]. В работе [5] при экспериментальном исследовании теплообмена в условиях безволнового пленочного течения недогретой жидкости при малых числах Рейнольдса было показано, что под воздействием термокапиллярных сил возникают упорядоченные структуры с регулярными
струями и зонами тонкой пленки между ними. Исследования, проведенные авторами [6] с использованием высокоскоростной термографии, показали, что при течении недогретых до температуры насыщения масел в области более высоких значений числа Рейнольдса метастабильные регулярные структуры возникают в остаточном слое жидкости во временном интервале между прохождением крупных трехмерных волн. В работах [7-9] было обнаружено, что при испарении и кипении азота в ламинарно-волновом режиме течения после возникновения сухих пятен также формируются ячеистые структуры с крупномасштабными несмоченными зонами между регулярными струями жидкости. Работы по исследованию теплообмена и кризиса теплоотдачи при нестационарном тепловыделении при пленочном течении жидкости немногочисленны [10, 11]. В то же время выявление закономерностей развития процессов теплообмена при резком изменении во времени тепловой нагрузки необходимо для обеспечения безопасной, устойчивой работы теплооб-менных устройств с пульсациями теплового потока при разработке малоинерционных испарителей, теплообменников-дозаторов, смесителей, специальных отборников в измерительном оборудова-
Бак
постоянного уровня
Датчики уровня
Экспериментальный участок
Выпускной клапан
схн*
Цифровая скоростная видеокамера
Вакуумный Выходной резервуар Кртостат
насос (гелиевый сосуд)
Датчики уровня
Мерная емкость
Нагреватель
Входной резервуар Резервуар (гелиевый сосуд) избыточного давления
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
нии, в том числе в биотехнологиях, биомедицине и т.д. Между тем, известно, что величины предельных (критических) тепловых потоков при вскипании жидкости в условиях ступенчатого тепловыделения в большом обьеме жидкости могут существенно отличаться от соответствующих значений при стационарной тепловой нагрузке [12, 13].
Целью данной работы являлось экспериментальное исследование особенностей развития теплообмена при ступенчатом законе тепловыделения в ламинарно-волновых пленках жидкого азота.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки для исследования теплообмена и динамики течения волновой пленки криогенной жидкости при нестационарном тепловыделении. Эксперименты проводились с использованием жидкого азота, подаваемого на экспериментальный участок при параметрах на линии насыщения при атмосферном давлении. Жидкость подавалась через запорный вентиль из азотного сосуда в расходный гелиевый сосуд, предназначенный для поддержания заданного уровня жидкого азота в баке постоянного уровня жидкости, размещенном во внутренней полости оптического криоста-та. Жидкий азот из бака постоянного уровня жид-
кости через щелевой распределитель стекал по вертикальной пластине из дюралюминия шириной 75 мм и поступал на рабочий участок, представляющий собой вертикальную поверхность, и далее стекал в мерный сосуд. Размер распределительной щели высотой 12 мм в экспериментах варьировался в диапазоне от 40 до 70 мкм. Расстояние от пленкоформирователя до области локального нагрева, равное 160 мм, обеспечивало течение пленки жидкости по тепловыделяющей поверхности в режиме гидродинамической стабилизации. Из внутренней полости криостата жидкий азот через криогенный трубопровод откачивался в гелиевый сосуд. Расход при стекании жидкой пленки определялся объемным методом с помощью мерной емкости, расположенной под экспериментальным участком. В баке постоянного уровня и в мерной емкости температура жидкости, находящейся на линии насыщения, измерялась германиевыми термометрами сопротивления, а давление во внутренней полости криостата - образцовым манометром. Использование калиброванного сосуда позволяло контролировать расход с погрешностью 4%. Откачка внутренней полости криостата осуществлялась вакуумным насосом через регулировочный вентиль.
Постоянство расхода жидкого азота обеспечивалось заданным избыточным давлением во внутренней полости сосуда, которое задавалось испа-
Рис. 2. Схема экспериментального участка: 1 - нагревательная фольга (константан), 2 - рамка (текстолит), 3 - пружины, 4 - токоподводящие шины (медь), 5 - теплоизолятор (пенопласт), 6 - платиновые терморезисторы, 7 - пластина (дюралюминий), 8 - пленкоограничитель, 9 - пленкоформирователь, 10 - бак постоянного уровня.
рением азота в гелиевом дополнительном сосуде. Система поддержания постоянного уровня для течения пленки в стабилизированном гидродинамическом режиме включала в себя: контроль уровня жидкости в баке постоянного уровня; управление источником питания резистивного нагревателя, установленным в дополнительном гелиевом сосуде; контроль избыточного давления. Система была автоматизирована с помощью программного пакета LabView и АЦП. Система регулирования позволяла поддерживать избыточное давление с точностью 1%. Оптический криостат представлял собой криогенную емкость с внутренним диаметром 0.2 м и высотой 1.25 м. На крышке крио-стата располагались узлы подсоединения криогенных трубопроводов, штуцер для измерения давления паров в экспериментальной полости, электрические разъемы для подсоединения датчиков и центрирующая стойка, обеспечивающая вертикальное перемещение и поворот экспериментального участка. Визуализация течения и высокоскоростная видеосъемка осуществлялись через четыре оптических окна с помощью цифровой видеокамеры Phantom v.7.0 (максимальная частота записи 160000 кадр/с). Диаметр оптических окон составлял 45 мм. Для исключения испарения жидкой пленки на экспериментальной пластине за счет притоков тепла через боковую поверхность внутренней полости криостата криогенная емкость была защищена вакуумированной полостью, охлаждаемыми радиационными экранами и внешней азотной ванной. От теплопритоков со стороны крышки криостата экспериментальный участок был защищен емкостью, в которой находился жидкий азот. Необходимое давление в вакуумной полости создавалось форвакуумным, диффузионным масляным и абсорбционным насосами.
Исследование переходных процессов при волновом течении жидкого азота осуществлялось на рабочем участке, схематический вид которого представлен на рис. 2. Фольга из константана 1 толщиной 25 х 10-6 м и длиной 3.2 х 10-2 м натягивалась на текстолитовую рамку 2 при помощи двух пружин 3, размещенных в нижней части нагревателя. Тепловыделение на поверхности фольги осуществлялось пропусканием тока с использованием двух токоподводящих медных шин 4, расположенных на концах рабочего участка. Для обогрева использовался программируемый импульсный источник питания Г0РН-М-15/250, обеспечивающий максимальную выходную мощность 3.75 кВт при токе до 250 А, с фронтом нарастания не более 3 х 10-3 сек. Плотность теплового потока измерялась по показаниям величины тока, пропускаемого через фольгу, и разности потенциалов между клеммами, расположенными на концах рабочего участка. Тепловой поток в эксперименте изменялся от 0.1 х 104 до 28 х 104 Вт/м2 и измерялся с погрешностью 5%. Для устранения отвода тепла от тепловыделяющей поверхн
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.