ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 1, с. 93-99
УДК 536.24/423
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И РАЗМЕРА КАПЕЛЕК ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ЭМУЛЬСИИ НА ХАРАКТЕР ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ЭМУЛЬСИИ
© 2014 г. Б. М. Гасанов1, Н. В. Буланов2
1 Институт теплофизики УрО РАН, г. Екатеринбург 2Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург E-mail: NBulanov@usurt.ru, bulanov@itp.uran.ru Поступила в редакцию 12.12.2012 г.
Представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи от тонких платиновых проволок к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой. Показано возникновение, рост и отрыв пузырьков пара при кипении на горизонтальной и вертикальной нагреваемых поверхностях. Рассмотрена зависимость задержки начала кипения от концентрации эмульсии и размера капелек дисперсной фазы.
DOI: 10.7868/S0040364413060100
ВВЕДЕНИЕ
Кипение эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой сопровождается рядом особенностей [1—4], таких, как высокие перегревы капелек дисперсной фазы, широкие по сравнению с чистыми жидкостями интервалы пузырькового кипения, высокие значения коэффициентов теплоотдачи. На величину задержки начала кипения оказывает влияние концентрация эмульсии и диаметр капелек дисперсной фазы. Задержку начала кипения можно регулировать путем введения в эмульсию различных поверхностно-активных веществ и адсорбентов (цеолитов, опок, полимеров и др.). Настоящая работа посвящена исследованию возникновения, роста и отрыва пузырьков пара дисперсной фазы эмульсии при кипении эмульсий типа масло в воде (фреон-11/вода, н-пентан/во-да) и вода в масле (вода/вакуумное масло ВМ-1С) на поверхности проволочного нагревателя. Исследования проведены на экспериментальной установке, представленной в работе [2], при горизонтальном и вертикальном положении нагревателя. Также в данной работе рассмотрено влияние концентрации эмульсии и диаметра капелек дисперсной фазы на величину задержки начала кипения.
ЗАВИСИМОСТЬ ЗАДЕРЖКИ НАЧАЛА КИПЕНИЯ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭМУЛЬСИИ
Вскипанию капелек дисперсной фазы всегда предшествует перегрев выше температуры насыщенных паров жидкости, образующих дисперс-
ную фазу. Такой перегрев называется задержкой начала кипения. На рис. 1 представлены результаты экспериментального исследования при теплообмене воды и эмульсий фреон-11/вода и н-пен-тан/вода на поверхности горизонтальной платиновой проволоки. Пузырьковое кипение эмульсии с низкокипящей дисперсной фазой можно разделить на слаборазвитое и интенсивное кипение. Слаборазвитое кипение наблюдается тогда, когда на поверхности нагревателя образуются пузырьки
а, кВт/(м2 °C)
35 - c5
о 1
30 - □
2
25 - UI3 а а ■
20 - ж 4 а ■r
15 - ■ 5 □ Ь5 , Д A
10 _ a5 \ U - " * t
5 - \ ^ ^ * H
| a1 i i 1i i
0 20 40 60 80 100
120 T, °C
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от температуры нагревателя Т при конвективном теплообмене и пузырьковом кипении на горизонтальной платиновой проволоке, Т0 = 16.0°С: 1 — чистая вода; 2, 3 — эмульсия н-пентан/вода с концентрацией С = = 1.0 и 5.0 об. %; 4, 5 — эмульсия фреон-11/вода с концентрацией С = 1.0 и 5.0 об. %.
а1
с1
а5
Ь5
с5
Рис. 2. Кипение эмульсии н-пентан/вода на поверхности проволочного нагревателя: а с — интенсивное кипение; индекс 1 — концентрация 1.0 об. %, 5 — 5.0 об. %.
слаборазвитое кипение; Ь и
пара. С помощью видеосъемки на рис. 2 представлены кадры кипения эмульсии н-пентан/вода при концентрациях 1.0 и 5.0 об. %. Вскипание капелек дисперсной фазы происходит на центрах кипения, находящихся на поверхности проволочного нагревателя (фотографии а1 и а5 рис. 2). Образующиеся при этом пузырьки пара не всегда достигают критических размеров, под действием конвективных потоков они могут хаотически передвигаться по нагреваемой поверхности, объединяться и всплывать. Такое кипение носит слаборазвитый характер (участки кривой а1Ь1 и а5Ь5 на рис. 1). При интенсивном кипении (участки Ь1с1 и Ь5с5 на рис. 1) происходит быстрый рост и отрыв пузырьков пара от нагреваемой поверхности. На месте оторвавшихся пузырьков пара вскипают новые капельки дисперсной фазы.
Из рис. 2 видно, что при слаборазвитом кипении (фотографии а1 и а5) при концентрации 1.0 об. % количество способных вскипеть на поверхности проволочного нагревателя капелек дисперсной фа-
а, кВт/(м2 °С)
30 _
- 1
25 - А 2
£ 3
20 -
к 4
15 - ■ 5
10 -
5 -
Ь1
I жрал Ъа^й к
,а1
20
40
60
80
100
120 Т, °С
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от температуры нагревателя Т при конвективном теплообмене и пузырьковом кипении на вертикальной платиновой проволоке, Т0 = 16.0°С: 1 — чистая вода;
2, 3 — эмульсия н-пентан/вода с концентрацией С = = 1.0 и 5.0 об. %; 4, 5 — эмульсия фреон-11/вода с концентрацией С = 1.0 и 5.0 об. %.
зы меньше, чем при концентрации 5.0 об. %. Этим и объясняется тот факт, что при меньшей концентрации значение задержки начала кипения выше. Такой же характер кипения наблюдается и при теплообмене эмульсии фреон-11/вода.
На рис. 3 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры нагрева для воды и эмульсий фреон-11/вода и н-пентан/вода для вертикальной платиновой проволоки. Здесь также можно выделить слаборазвитое и интенсивное кипение. При слаборазвитом кипении вскипевшие капельки не достигают критических размеров, вытесняются конвективными потоками с поверхности нагрева (рис. 4, фотографии а1 и а5). При интенсивном кипении, образующиеся пузырьки пара отрываются от поверхности нагрева и при всплытии способствуют отрыву пузырьков пара, не достигших критических размеров (рис. 4, фотографии Ь1, Ь5, с1 и с5). При интенсивном кипении также наблюдается вскипание капелек дисперсной фазы в тепловом пограничном слое (рис. 4, фотография с5). На вертикальном нагревателе, так же как и на горизонтальном, увеличение концентрации эмульсии приводит к уменьшению величины задержки начала кипения. Такой же характер теплообмена наблюдается и при кипении эмульсии н-пен-тан/вода.
ЗАВИСИМОСТЬ ЗАДЕРЖКИ НАЧАЛА КИПЕНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ОТ РАЗМЕРА ЕЕ КАПЕЛЕК
Влияние размера капелек дисперсной фазы на характер теплообмена исследовано в эмульсии вода/вакуумное масло ВМ-1С. Крупнодисперсная эмульсия со средним диаметром капельки дисперсной фазы 20—30 мкм готовилась пропеллерной мешалкой, а мелкодисперсная со средним диаметром капельки дисперсной фазы 1—2 мкм — в ультразвуковом поле с частотой 22 КГц. На рис. 5 приведены экспериментальные данные по теплообмену крупнодисперсной 2 и мелкодисперсной 3 эмульсии вода/масло ВМ-1С на поверхности горизонтальной платиновой проволоки. Как и в эмуль-
Ь
0
Рис. 4. Кипение эмульсии фреон-11/вода на поверхности проволочного нагревателя: а — слаборазвитое кипение; Ь и с — интенсивное кипение; индекс 1 — концентрация 1.0 об. %, 5 — 5.0 об. %.
Ь
Ь
а
с
а
с
1
5
5
5
сиях типа масло/вода, в эмульсии вода/масло ВМ-1С можно выделить слаборазвитый и интенсивный режим пузырькового кипения. При слаборазвитом кипении, когда пузырьки пара образуются на готовых центрах кипения, объединяются и всплывают у крупнодисперсной эмульсии (рис. 6, фотография ак), объем капельки дисперсной фазы больше, а задержка начала кипения меньше по сравнению с мелкодисперсной (рис. 6, фотография ам). При интенсивном кипении, когда происходит быстрый рост и отрыв пузырьков пара от нагреваемой поверхности, в эмульсии вода/масло ВМ-1С наблюдается взрывное вскипание перегретых капелек дисперсной фазы как на поверхности нагревателя, так и в тепловом пограничном слое (рис. 6, фотографии Ьк, ск, Ьм и см). Ударная волна, возникающая при взрыве капельки дисперсной фазы, приводит к тому, что пузырьки пара, не достигшие критических размеров, отрываются от поверхности нагрева, а на их месте вскипают новые капельки дисперсной фазы. Энергию взрыва можно оценить по теории точечного взрыва [5]. Чем больше размер капельки дисперсной фазы, тем больше энергия взрыва, тем выше коэффициенты теплоотдачи.
На рис. 7 представлены экспериментальные данные по теплообмену эмульсии вода/масло ВМ-1С на поверхности вертикальной платиновой проволоки. При слаборазвитом кипении на отрыв вскипевших капелек (рис. 8, фотографии ак и ам), не достигших критических размеров, значительное влияние оказывают конвективные потоки. При
этом чем больше размер вскипевшей капельки дисперсной фазы, тем больше объем образовавшегося пузырька пара. Этим и объясняется тот факт, что у крупнодисперсной эмульсии задержка начала кипения меньше, чем у мелкодисперсной. При интенсивном кипении (рис. 8, фотографии Ьк, ск, Ьм и см) происходит быстрый рост и отрыв пузырьков пара. Основной вклад в интенсивность кипения,
а, кВт/(м2 °С) 6
1
2 3
ЛД □
Ь
\ 4 :
: ^Ьм
• • •
_|_I_I_1_
50
100
150 200
250 300 Т, °С
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от температуры нагревателя Т при конвективном теплообмене и пузырьковом кипении на горизонтальной платиновой проволоке, Т0 = 16.0°С: 1 — масло ВМ-1С,
2 — крупнодисперсная эмульсия вода/масло ВМ-1С,
3 — мелкодисперсная с концентрацией С = 1.0 об. %.
а
к
0
а
к
Ъ
к
с
к
Рис. 6. Кипение эмульсии вода/масло ВМ-1С на поверхности проволочного нагревателя: а — слаборазвитое кипение; Ъ и с — интенсивное кипение; индекс "к" — крупнодисперсная эмульсия, "м" — мелкодисперсная.
кроме конвективных потоков, вносит взрывной характер вскипания перегретых капелек дисперсной фазы. Энергию взрыва, как отмечалось выше, можно рассчитать по теории точечного взрыва. Очевидно, что чем больше размер вскипевшей капельки дисперсной фазы, тем больше энергия взрыва, способная вытеснить с поверхности нагрева пузырьки пара, на месте которых вскипают новые капельки дисперсной фазы. Участок кривой 2 скАк на рис. 7 (рис. 8, фотография dк) соответствует переходному режиму кипения, когда на поверхности нагревателя образуются паровая пленка и пузырьки пара. Такое кипение наблюдается в широком интервале температур. Конвективные потоки и вскипающие в тепловом пограничном слое капельки дисперсной фазы не дают образоваться сплошной пленке пара. В области температур, когда у круп
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.