Конвективная конденсация пара и испарение обдуваемого газом слоя жидкости в стесненных условиях Люлин Юрий Вячеславович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современное состояние исследования гидродинамики двухфазных потоков в условиях фазового превращения (испарения и конденсации). Обзор литературы . 10

1.1 Введение 10

1.2 Космический эксперимент «Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос (ИКМОС)». 11

1.3 Термокапиллярное движение и конвективная неустойчивость в горизонтальных слоях жидкости . 13

1.4 Конденсация чистого пара внутри труб. 30

1.5 Заключение Главы 1. 42

Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований . 44

2.1 Описание экспериментального стенда «Испарительная конвекция в слое жидкости». 44

2.1.1 Рабочий участок №1. 46

2.1.2 Рабочий участок №2. 51

2.1.3 Оптическая система шлирен-метод. 52

2.1.4 Система цифровой трассерной визуализации (PIV- метод). 55

2.2 Методика проведения эксперимента по исследованию испарительной конвекции в слое жидкости под действием потока инертного газа. 56

2.2.1 Контроль положения уровня границы раздела жидкости и газа . 56

2.2.2 Построение поля скоростей в горизонтальном слое жидкости, испаряющемся под действием потока газа. 57

2.2.3 Определение удельного массового потока пара с поверхности жидкости. 58

2.2.4 Оценка погрешности измерений. 60

2.2.5 Свойства рабочей жидкости и газа. 62

2.3 Описание экспериментального стенда «Внутритрубная конденсация». 65

2.3.1 Рабочий участок. 66

2.3.2 Контрольно-измерительная система. 73

2.3.3 Оптическая система бороскоп. 75

2.4 Методика измерения коэффициента теплоотдачи.

2.4.1 Измерение коэффициента теплоотдачи. 77

2.4.2 Индивидуальные калибровочные тесты датчиков теплового потока. 79

2.4.3 Совместная проверка датчиков теплового потока. 83

2.4.4 Оценка погрешности измерения. 87

2.5 Заключение Главы 2. 88

Глава 3. Экспериментальные исследования динамики испарения с локальной поверхности горизонтального слоя жидкости под действием потока газа . 90

3.1 Постановка задачи экспериментальных исследований. 90

3.2 Экспериментальное измерение удельного массового расхода пара в поверхности испарения .

3.2.1 Влияние средней скорости газа на удельный массовый расход пара с поверхности испарения. 92

3.2.2 Влияние температуры жидкости и газа на удельный массовый расход пара с поверхности испарения. 94

3.2.3 Влияние толщины слоя на удельный массовый расход пара с поверхности испарения. 97

3.2.4 Обобщение экспериментальных данных. 3.3 Визуализация конвективных течений на поверхности слоя жидкости c использованием шрилен-метода. 101

3.4 Визуализация конвективных течений в слое жидкости с использованием PIV метода. 108

3.5 Сравнение теоретических и экспериментальных данных. 113

3.6 Заключение Главы 3. 114

Глава 4. Экспериментальные исследования конденсации чистого пара внутри труб . 116

4.1 Постановка задачи экспериментальных исследований. 116

4.2 Результаты экспериментальных исследований.

4.2.1 Влияние температурного напора на коэффициент теплоотдачи. 118

4.2.2 Влияние угла наклона на коэффициент теплоотдачи.

4.3 Сравнение экспериментальных результатов с численными расчетами. 121

4.4 Заключение Главы 4. 126

Глава 5. Подготовка эксперимента «ИКМОС» на борту Международной Космической станции . 127

5.1 Наземные эксперименты по проверке работоспособности прототипа закрытого контура для космического эксперимента «ИКМОС». 128

5.1.1 Введение 128

5.1.2 Тестовые эксперименты в Международном центре по микрогравитации. 129

5.1.3 Тестовые эксперименты в компании ASTRIUM. 137

5.2 Проверка возможности применения микро-канавки в качестве противо- смачиваемого барьера для удержания жидкости в области испарения. 142

5.2.1 Введение 142

5.2.2 Эффект острой кромки. 143

5.2.3 Описание экспериментального стенда 144

5.2.4 Результаты экспериментов. 146

5.3 Заключение Главы 5. 150

Заключение 151

Список литературы

• Термокапиллярное движение и конвективная неустойчивость в горизонтальных слоях жидкости
• Контроль положения уровня границы раздела жидкости и газа
• Экспериментальное измерение удельного массового расхода пара в поверхности испарения
• Тестовые эксперименты в Международном центре по микрогравитации.

Введение к работе

Актуальность темы обусловлена фундаментальными научными проблемами тепломассопереноса через межфазную поверхность. Во многих случаях эффективность промышленного оборудования определяется интенсивностью процессов тепломассопереноса в двухфазных потоках. Интенсивный тепломассоперенос достигается за счет использования процессов с фазовым превращением, таких, как испарение и конденсация. Одна из главных тенденций современного развития техники - это повсеместная миниатюризация устройств. В различных энергетических устройствах это приводит к конденсации и испарению в мини и микроканалах. Во многих технологиях происходит переход от процессов тепло- и массо- обмена в большом объеме к процессам в тонких слоях жидкости. Существенно возрастают удельные и объемные плотности теплового потока.

Двухфазные системы в космических технологиях – это топливные баки и
двигатели, системы жизнеобеспечения человека (температуры, влажности и
др.), системы охлаждения и термостабилизации электронного оборудования,
энергетические системы и топливные элементы, системы очистки воды и
биологические системы, необходимые для будущих длительных полетов.
Изменение гравитации в общей сложности на четыре порядка для ближнего
космоса и на семь порядков для дальнего космоса кардинально меняет баланс
сил в двухфазных системах, выводит на первый план силы, часто
пренебрежимо малые в обычных условиях - поверхностные,

термокапиллярные, смачиваемость - делает ряд процессов менее устойчивыми, вызывает новые эффекты. Микрогравитация приводит к тому, что двухфазные системы практически любого размера имеют некоторые свойства микросистем и микроканалов, что связано с увеличением капиллярной постоянной жидкостей в космосе до нескольких метров.

Таким образом, важное значение имеет понимание гидродинамики и теплообмена в двухфазных системах с фазовыми переходами, которые обеспечивают наиболее эффективные процессы тепло- и массопередачи в условиях пониженной и переменной гравитации – испарение и конденсация. Перспективной является двухфазная система охлаждения, в которой тонкий слой жидкости движется в плоском мини- или микроканале увлекаемый потоком газа. В подобной системе не посредственное влияние на тепломассообмен оказывает взаимосвязь между испарением и конвекцией в слое жидкости. В частности, исследованию конвекции в слое жидкости обусловленной интенсивным испарением под действием потока газа, посвящен космический эксперимент «Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос». Это совместный эксперимент Европейского Космического Агентства и Роскосмоса на борту Международной Космической станции.

Целью данной работы является исследование конвективной конденсации пара и испарения обдуваемого газом слоя жидкости в стесненных условиях.

В соответствии с выбранной целью были поставлены следующие задачи научного исследования:

Систематические экспериментальные исследования по изучению структуры конвективных течений и динамики испарения в горизонтальном слое жидкости ограниченного размера под действием потока газа.

Систематические экспериментальные исследования по изучению конвективной конденсации чистого пара внутри труб малого ди аметра и круглого сечения.

Наземные испытания работоспособности прототипа закрытого контура для космического эксперимента «Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос», а также исследования возможности использования микроканавки в качестве противосмачиваемого барьера для жидкости с низким поверхностным натяжением (HFE-7100).

Научная новизна

1. Для изучения динамики испарения в горизонтальном слое жидкости под действием потока газа разработана и апробирована методика определения удельного массового потока пара с локальной поверхности слоя жидкости двумя независимыми методами. Определены корреляционные зависимости удельного массового потока пара от скорости газа и температуры для различных толщин слоя.

2. С использованием шлирен-метода с отражением впервые показано, что взаимодействие термокапиллярных сил, естественной конвекции и касательных напряжений обусловленных потоком газа вызывает сложную вихревую структуру течения. С использованием PIV метода доказано существование вихревого течения навстречу потоку газа, что хорошо согласуется с имеющимися теоретическими моделями.

3. Впервые обнаружено, что зависимость удельного массового потока пара от толщины слоя жидкости имеет локальный максимум. Локальный максимум существенно зависит от температуры жидкости и газа . С ростом средней скорости инертного газа локальный максимум становится более выраженным. При увеличении температуры газа и жидкости локальный максимум удельного массового потока пара смещается к большему значению толщины слоя жидкости. Найдено, что максимальный удельный массовый поток пара достигается в случае устойчивых и равномерных конвективных течений в противоположную сторону потока газа.

4. Для исследования пленочной конденсации чистого пара разработан и апробирован метод визуализации пленки конденсата внутри труб малого диаметра п ри помощи бороскопа. Показано наличие ручейкового потока конденсата внутри горизонтальной трубы.

5. Получены новые экспериментальные данные по интенсивности конденсации пара при малых удельных расходах пара на входе в канал, менее 3 кг/м²с. Установлено, что з ависимость коэффициента теплоотдачи от угла наклона трубы к горизонту имеет выраженный локальный максимум при 15-35.

6. Выполнена апробация разрабатываемых теоретических моделей по испарению и конденсации. Показано качественное и количественное совпадение.

7. Подтверждена возможность проведения эксперимента в условиях микрогравитации на борту Международной Космической Станции для эксперимента «Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос».

8. Установлено, что микроканавка V-образной формы может быть использована в качестве противосмачиваемого барьера для предотвращения растекания жидкости с низким поверхностным натяжением (HFE-7100) вне области испарения.

Научная и практическая ценность заключается в том, что проведенные исследования вносят существенный научный вклад в подготовку и выполнение космического эксперимента «Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос», который подготавливается к проведению Европейским и Российским космическими агентствами. Экспериментальные данные по испарению и конденсации могут быть использованы для сравнения данных, полученных в условиях нормальной гравитации и микрогравитации, а также для создания компактных высокоэффективных систем термостабилизации электронного оборудования в космических и наземных аппаратах. Результаты работы могут быть использованы для апробации разрабатываемых теоретических моделей по испарению и конденсации.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, дублированием методов измерения, оценками величин ошибок измерений, постановками специальных тестовых экспериментов, использованием специально разработанных методик экспериментов.

Основные положения выносимые на защиту:

Результаты экспериментальных исследований по изучению структуры конвективных течений и динамики испарения в горизонтальном слое жидкости ограниченного размера под действием потока газа.

Результаты экспериментальных исследований по изучению конвективной конденсации чистого пара внутри труб малого диаметра и круглого сечения.

Результаты наземных испытаний по проверке работоспособности прототипа закрытого контура для космического эксперимента «Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос», а также по проверке возможности использования микроканавки в качестве противосмачиваемого барьера для жидкости с низким поверхностным натяжением (HFE-7100).

Личный вклад автора. Автором диссертационной работы лично разработаны и созданы несколько экспериментальных стендов, разработаны методики исследований, проведены систематические экспериментальные исследования. Самостоятельно проведена обработка и анализ результатов экспериментов, а также подготовка статей и докладов на конференциях для публикации в рецензируемых журналах. Постановка задач исследований, сравнение экспериментальных данных с теоретическими и апробация математических моделей, проведены в составе научного коллектива.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 13 международных и 6 российских конференциях и семинарах: научные семинары отдела физической гидродинамики ИТ СО РАН; Всероссийская научная конференция «Теплофизика и физическая гидродинамика» с элементами школы молодых ученых г. Ялта, 18-26 сентября 2016;Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 19 - 21 апреля 2016 г.); International Symposium and School for Young Scientists Interfacial Phenomena and Heat Transfer (Novosibirsk, Russia, 2-4 of March 2016); 9th, 8th, 7th, 5th и 4th International Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications (Baltimore, Maryland, USA - 2014. Bremen, Germany -2013; Beijing, China- 2012; Kyoto, Japan- 2010; Novosibirsk, Russia-2009); Всероссийская конференция «XXXI Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск-2014); 16th International Heat Pipe Conference (Lyon, France- 2012); 4th Int. Conf. Heat Transfer and Hydrodynamics in swirl flows (Moscow, Russia- 2011); 2 доклада на ELGRA Symposium (Antwerp, Belgium - 2011); 92th Eurotherm Seminar on Gravitational effects on liquid-vapor phase change (Presqu’le de Giens, France-2011); ECI International Conference on Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale (Castelvecchio Pascoli, Italy- 2005); XV школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы

газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (Калуга-6

2005); Всероссийская конференция «ХХVIII Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск- 2005); Всероссийская конференция c участием зарубежных ученых “Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения” (Бийск- 2005); First International Conference on Microchannels and Minichannels (Rochester, NY, USA- 2003).

Публикации. Полученные научные результаты полностью изложены в 9 журнальных публикациях, из которых 7 статей опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определённых Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и выводов, содержит 168 страниц, 98 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 175 наименований.

Термокапиллярное движение и конвективная неустойчивость в горизонтальных слоях жидкости

Глобальные проблемы современного человечества (климатические изменения, природные и техногенные катастрофы, ограниченность ресурсов и др.) ставят задачи энерго-ресурсосбережения во всех отраслях промышленности при одновременном повышении надежности работы энергетических объектов. Во многих случаях эффективность промышленного оборудования определяется интенсивностью процессов тепломассопереноса в двухфазных потоках. Интенсивный тепломассоперенос достигается за счет использования процессов с фазовым превращением, таких как испарение и конденсация. Одна из главных тенденций современного развития техники - это повсеместная миниатюризация устройств. В различных энергетических устройствах это приводит к конденсации и испарению в мини - и микро- каналах. Во многих технологиях происходит переход от процессов тепло- и массо- обмена в большом объеме к процессам в тонких слоях жидкости. Существенно возрастают удельные и объемные плотности теплового потока.

Двухфазные системы в космических технологиях – это топливные ба ки и двигатели, системы жизнеобеспечения человека (температуры, влажности и др.), системы охлаждения и термостабилизации электронного оборудования, энергетические системы и топливные элементы, системы очистки воды и биологические системы, необходимые для б удущих длительных полетов. Изменение гравитации в общей сложности на четыре порядка для ближнего космоса и на семь порядков для дальнего космоса кардинально меняет баланс сил в двухфазных системах, выводит на первый план силы, часто пренебрежимо малые в обычных условиях - поверхностные, термокапиллярные, смачиваемость -делает ряд процессов менее устойчивыми, вызывает новые эффекты. Микрогравитация приводит к тому, что двухфазные системы практически любого размера имеют некоторые свойства микросистем и микроканалов, что связано с увеличением капиллярной постоянной жидкостей в космосе до нескольких метров.

Таким образом, важное значение имеет понимание гидродинамики и теплообмена в двухфазных системах с фазовыми переходами, которые обеспечивают наиболее э ффективные процессы тепло- и массопередачи в условиях пониженной и переменной гравитации – испарение и конденсация. Перспективной является двухфазная система охлаждения, в которой тонкий слой жидкости движется в плоском мини- или микроканале увлекаемый потоком газа. В подобной системе непосредственное влияние на тепло-массообмен оказывает взаимосвязь между испарением и конвекцией в слое жидкости. В частности, исследованию конвекции в слое жидкости обусловленной интенсивным испарением под действием потока газа, посвящен космический эксперимент “ИКМОС” (Испарительная конвекция и межфазный тепломассоперенос), см. параграф 1.2.

Космический эксперимент посвящен исследованию конвекции в слое жидкости обусловленной интенсивным испарением под действием потока газа [Balzs, 2012; Pacros, 2007]. На Рис. 1.1 представлена схема экспериментального контура. Это совместный эксперимент Европейского Космического Агентства и Роскосмоса на борту Международной Космической станции. Данный космический эксперимент предполагается провести в 2018-2020 г. Основное внимание в этом эксперименте будет уделяться изучению термокапиллярной конвекции, или конвекции Марангони. Термокапиллярная конвекция возникает из-за зависимости поверхностного натяжения от температуры, изменяющейся вдоль свободной границы жидкости. В земных условиях проявление эффекта Марангони, как правило, локализовано вблизи свободной поверхности. Однако, в тонких слоях жидкости, термокапиллярная конвекция становится доминирующей формой конвективного течения. Наиболее известное проявление этого эффекта это ячейки Бенара. При выращивании кристаллов градиенты температуры на поверхности расплава бывают настолько велики, что возникают турбулентные термокапиллярные течения. В космических системах, работающих в условиях микрогравитации, при почти полном отсутствии массовых сил, термокапиллярный механизм течений становится одним из основных. Например в топливных баках ракетон осителей течения во многом определяются термокапиллярными силами.

Несмотря на то, что исследование конвекции и испарения является приоритетной задачей в космическом эксперименте “ИКМОС”, также в этом эксперименте будет уделено существенное внимание исследованию процесса конденсации. Для этих целей будет использоваться Конденсационно -Сепарационная Система. С помощью этой системы будет исследоваться влияние гравитации на теплообмен и гидравлическое сопротивление при внутритрубной конденсации. Также будут со браны систематические данные по конденсации чистого пара , конденсации бинарной смеси и конденсации пара при наличии неконденсируемого газа в условиях микрогравитации. Будет проверена адекватность математических моделей и эмпирических соотношений для конвективной конденсации внутри труб с продольным оребрением. Но для анализа результатов полученных в условиях микрогравитации необходимо проведение комплексных наземных исследований в одинаковых условиях режимных параметров эксперимента. Это позволит изучить влияние гравитации на теплообмен при конденсации пара внутри труб.

Контроль положения уровня границы раздела жидкости и газа

Расслоенное течение, при котором наблюдается полное гравитационное разделение фаз, жидкость движется по дну трубы, а пар в верхней части; волновое течение, которое характеризуется наличием волн на межфазной поверхности и возникает с увеличением скорости паровой фазы при расслоенном течении; снарядное течение, которое возникает в результате омывания волнами верхней части трубы; кольцевое, дисперсно-кольцевое течение, реализуемое при высоких расходах пара и низких расходах жидкости. При этом в ядре потока пара могут наблюдаться капли жидкости. Для горизонтальных двухфазных потоков классической является карта режимов Бейкера, 1954 [39]. Бейкер впервые разработал общую карту режимов течения адиабатных потоков (воздух-вода и воздух-нефть) в трубах 25,4 мм , 50,8 мм и 101,6 мм, по которой можно определять такие режимы течений: стратифицированный, снарядный, пробковый, дисперсный, кольцевой, пузырьковый, вспененный и волновой. В работе [Тандон и др., 1982] представлена режимов течения при конденсации в горизонтальных трубах В работе [Soliman and Azer, 1971] впервые представлена экспериментальная карта режимов течения при конденсации R12 внутри горизонтальной медной трубы с внутренним диаметром 12,7 мм, по которой можно определить дисперсный, кольцевой, полукольцевой, волновой, снарядный и пробковый режимы. Дополнительно было определено т ри переходных режима: кольцевой-волновой, полукольцевой- волновой и дисперсно-кольцевой [Soliman and Azer, 1971]. Тайтель и Даклер (1976 г .) были первыми исследователями, к оторые для построения карты ре жимов течения адиабатных потоков (воздух и вода, природный газ и нефть) применили теоретический анализ одномерных уравнений сохранения импульсов обеих фаз для базового стратифицированного режима [Taitel and Dukler, 1976]. В общем, карта Тайтеля и Даклера построена для таких режимов: стратифицированный гладкий, стратифицированный волновой , кольцевой, перемежающийся поток (снарядный и пробковый) и пузырьковый, из-33 за чего ее применяли и для паро-конденсатных потоков. Обзор работ по различным картам режимов течения при конденсации холодильных агентов внутри гладких горизонтальных труб представлен в работе [Дейнеко, 2014].

При конденсации пара внутри горизонтальных, а также вертикальных трубах при дисперсно-кольцевом режиме течения следует различать ламинарное и турбулентное течение пленки конденсата. Критическое число Рейнолдса при котором происходит переход от ламинарного режима течения к турбулентному изменяется в достаточно широком диапазоне (от 60 до 500). Во всех работах при конденсации пара внутри горизонтальной трубы в условиях кольцевого режима течения фаз рассматривается турбулентное течение пара и пленки конденсата, поскольку такой режим достигается при числе Рейнольдса потока пара более чем 104. Методы расчета теплообмена в условиях ламинарного и трубленного режимов течения фаз достаточно подробно изложены в работах [Бойко и Кружилин, 1966; Консетов, 1961; Кутателадзе, 1979, 1661; Фёдоров и Мильман, 2013].

Влияние ориентации канала при конденсации пара внутри труб исследовалось крайне мало. Некоторые исследования были выполнены в наклонных гладких трубах с большим диаметром, где было показано, что коэффициент теплоотдачи сильно зависит от распределения жидкости и пара. Например, в работе [Lips and Meyer, 2012] представлены результаты экспериментального исследования конвективной конденсации пара R134a внутри гладкой трубы (внутренний диаметр 8,38 мм) при температуре насыщения 40 C. Угол наклона составлял ±90 (от вертикального вниз до вертикально вверх ). Массовая скорость пара изменялась от 200 кг/м2с до 600 кг/м2с. Авторы обнаружили, что коэффициент теплоотдачи существенно зависит от распределения двух фаз внутри трубы . При высоких массовых скоростях пара режим течения внутри трубы становиться кольцевым и коэффициент теплоотдачи слабо зависит от угла наклона. При низких массовых скоростях пара наклон трубы сильно влияет на структуру двухфазного потока и соответственно на коэффициент теплоотдачи. Теоретические и экспериментальные данные представлены в работе [Wang and Du, 2000)] для конденсации воды внутри наклонной трубы небольшого диаметра. Авторы моделировали и испытывали круглые трубы с внутренним диаметром от 1.94 до 4.98 мм, с массовым потоком (до 100 кг/м с), а также изменяли ориентацию трубы (горизонтальное положение и нисходящий поток с углами наклона 17, 34 и 45). Авторы установили, что влияние угла наклона на коэффициент теплоотдачи для труб с малым диаметром незначительное. В работе [Del Col et al., 2014b] исследовали конденсацию пара хладагентов HFC внутри дного миниканала с квадратным сечением (гидравлический диаметр 1,23 мм). В работе представлены экспериментальные данные для локального коэффициента теплоотдачи для рабочих жидкостей R134a и R32 при различной ориентации канала (горизонтальная, нисходящая восходящая). Угол наклона варьировался от 15 до 90 и массовая скорость пара - 390 кг/м с при температуре насыщения 40 С. Авторы установили, что коэффициент теплоотдачи для исследуемых массовых скоростей потока пара слабо зависит от угла наклона в условиях нисходящего потока. При увеличении угла наклона канала для восходящего потока наблюдается снижение коэффициента теплоотдачи. Очевидно, что интенсивность конденсации пара внутри миниканалов существенным образом зависит от режима течения. Режим течения определяется углом наклона, массовой скоростью потока пара и паросодержанием. Для корректного измерения как локального, так и среднего коэффициента теплоотдачи необходимо знать какой режим течения двухфазного потока имеет место. В то же время, данные по визуализации картины течения в миниканалах при изменении угла наклона практически не доступны в открытой литературе.

Экспериментальное измерение удельного массового расхода пара в поверхности испарения

Эскиз Рабочего участка №2 показан на Рис. 2.10. Рабочий участок состоит из нескольких соединённых между собой блоков. Эти блоки формируют прямоугольный газовый канал с высотой 3 мм и шириной 40 мм , а также прямоугольную жидкостную камеру размером 40x40 мм. Между газовым каналом и камерой с жидкостью установлена металлическая пластина из нержавеющей стали с квадратным вырезом площадью 100 мм2 по центру, где непосредственно и происходит соприкосновение жидкости и газа. Жидкость в камеру подается через специальный канал в рабочем участке. Температура жидкости определяется температурой основания подложки и контролируется с помощью элемента Пельтье и теплообменника. Измерение температуры осуществляется с помощью термопары вставленной в специальный отверстие в основании подложки. Стенки жидкостной камеры выполнены из прозрачного оргстекла. Эта конструктивная особенность дает возможность применения PIV метода. Высота жидкости в камере изменяется от 1 до 10 мм с помощью жидкостной подложки и специальных регулирующих высоту пластин. В крышке Рабочего участка над камерой с жидкостью установлено прозрачное оптическое окно. Это окно необходимо для визуализации поверхности испаряющейся жидкости с помощью Шлирен системы. Так же в крышке имеются специальные отверстия для датчиков температуры и давления, которые измеряют температуру и давление газа на входе рабочего участка и температуру парогазовой смеси на выходе. Рисунок 2.10. Эскиз рабочего участка №2. 1– крышка, 2 – газовая прокладка, 3 – пластина из нержавеющей стали с вырезом, 4 – корпус, 5 – газовый канал 290x40x3 мм, 6 – оптическое окно, 7 – вырез 10x10 мм, 8 – жидкостная ячейка 40x40 мм , 9 – вход газа, 10 – ножки, 11 – регулирующая пластина, 12 – подложка регулирующая уровень жидкости в ячейке, 13 – канал для термистора измеряющего температуру основания подложки, 14 – элемент Пельтье, 15, 16 – теплообменники, 17 – канал для подачи жидкости в ячейку.

Для контроля и наблюдения за положением поверхности испаряющейся жидкости в рабочем участке используется шлирен-метод. В первую очередь метод позволяет определять искривление поверхности слоя жидкости. Дополнительно шлирен-метод применяется для визуализации структуры течения в слое жидкости. Оптическая схема метода представлена на Рис. 2.11, фото на Рис. 2.12. Штрих пунктирная линия показывает оптическую ось системы. Некогерентный свет, сгенерированный источником света, проходит через молочное стекло (Диффузор) и прорезь. Молочное стекло используется для получения сферически распространяемого света. Далее свет проходит через Линзу 1, которая делает его параллельным, и движется к изучаемой поверхности че рез светоделитель. Отраженные лучи света от поверхности слоя жидкости и зеркальной поверхности подложки возвращаются к светоделителю и переотражаются под углом 90 по направлению к Линзе 2. Линза 2 фокусирует свет в Фокальной плоскости. Прошедший через фокальную плоскость свет при помощи Объектива проецируется на сенсор К амеры. Таким образом с помощью шлирен-метода регистрируется изображение поверхностных деформаций на межфазной границе и градиент плотности жидкостного слоя, зависящий от температуры. Область обзора метода составляет 16,7х12,5 мм с разрешением изображения 640х480 пикселей.

Детальное описание метода и практические рекомендации по использованию опубликованы в книге [Settles, 201]. Сравнительный анализ использования трех различных оптических методик (теневой метод, ш лирен метод, интерферометрия) для визуализации потока жидкости и газа представлено в работе [Desse and Deron, 2009]. Также в работе [Buffone, 2008] шлирен-метод использовался для визуализации границы раздела жидкости и газа.

На Рис. 2.13 представлены примеры визуализации с помощью шлирен-метод. На этих примерах исследуется конвекция в горизонтальном слое жидкости при интенсивном испарении под действием потока инертного газа (газ: азот, жидкость: HFE-7100) Рисунок 2.13. Граница раздела газ-жидкость: а) Температура- 20 C; Глубина слоя -5 мм; Расход газа- 5 л/мин. б) Температура- 40 C; Глубина слоя -5 мм; Расход газа- 5 л/мин. Оптическая система устанавливается сверху рабочего участка, и регистрация изображения ведется через оптическое окно . Метод позволяет визуально определять деформацию границы раздела жидкости и газа в оттенках серого цвета. Положение поверхности жидкости поддерживается в плоском состоянии в ходе всех экспериментов, которое определяется равномерным распределением оттенка серого цвета отраженного оптического луча.

Метод Цифровой Трассерной Визуализации (PIV) применяется для наблюдения и визуализации конвективных течений в слое жидкости, испаряющихся под действием потока газа. Метод позволяет определить форму вихревых структур, а также характер их распространения в слое жидкости в зависимости от различных системных параметров, таких как скорость потока газа, температура жидкости, высота слоя жидкости и др . Подробно описание метода PIV приведено в книге [Raffel and Willert, 2007]. Схема PIV системы представлена на Рис. 3.14.

Принцип действия метода цифровой трассерной визуализации заключается в следующем. В кювету с жидкостью помещаются частицы малого размера (трассеры). Кювета выполнена из прозрачного оргстекла. Размер трассеров составлял 20 микрометров. Лазер с помощью специальной насадки, которая формирует лазерный нож, засвечивает трассеры. Измерительной областью потока считается плоскость, которую “вырезает” лазерный нож. Трассеры, находящиеся в кювете с жидкостью, должны быть освещены минимум дважды. Плотность, размер и о бъемная концентрация этих частиц выбирается так , чтобы минимизировать эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц. Образы трассеров регистрируются с помощью камеры, которая устанавливается перпендикулярно измерительной области (лазерному ножу). Камера делает несколько последовательных кадров. Последующая обработка позволяет рассчитать смещение частиц за время между вспышками света и построить двухкомпонентное поле скоростей.

Тестовые эксперименты в Международном центре по микрогравитации.

Основная суть экспериментального исследования испарения с локальной поверхности горизонтального слоя жидкости под действием потока газа представлена на Рис. 3.1. Чистый газ движется в рабочий участок, который имеет прямоугольный газовый канал высотой 5 мм и шириной 100 мм , а также прямоугольную жидкостную камеру. Жидкостная камера представляет собой квадратный вырез (50х50 мм) с изменяемой высотой. Между жидкостной камерой и газовым каналом установлена пластина из нержавеющей стали толщиной 200 мкм. В центре пластины сделан квадратный вырез 10х10 мм, где происходит взаимодействие жидкости и газа. Испарение происходит с поверхности жидкости в ограниченной области выреза пластины в поток движущегося газа. По периметру кромки выреза на пластине сделана микроканавка. Микроканавка удерживает жидкость в области выреза, а также предотвращает разлив жидкости по поверхности пластины используя эффект острой кромки [Gibs, 1906]. Граница раздела жидкости и газа в процессе эксперимента подд ерживается плоской при помощи шприцевого насоса и контролируется шлирен методом. Температуры жидкости и газа устанавливаются равными. Подробное описание экспериментальной установки и методики экспериментальных исследований приведено в Главе 2, параграфы 2.1 и 2.2. Шлирен-метод

Концепция эксперимента. Интенсивное испарение с поверхности горизонтального слоя жидкости под воздействием потока инертного газа вызывает интенсивный тепломассобмен через границу раздела жидкости и газа. Поверхность слоя жидкости охлаждается, и возникает градиент температуры между межфазной поверхностью и нижней стенкой слоя жидкости, ч то приводит к возникновению термогравитационной конвекции. Термогравитационная конвекция существенно зависит от разности температур между поверхностью слоя и дном, а также от геометрических размеров слоя жидкости. Необходимо отметить, что область конвективных течений может быть гораздо шире, чем область открытая испарению. Воздействие потока газа вызывает касательные напряжения на границе раздела жидкости и газа, что приводит к движению жидкости на поверхности слоя вдоль направления потока газа. Касательные напряжения, создаваемые потоком газа непосредственно зависят от скорости газа в канале. С другой стороны, за счет интенсивного испарения жидкости на начальном участке контакта газа и жидкости, поверхность жидкости охлаждается и вызывает градиент температуры вдоль границы раздела газ-жидкость. Этот градиент температуры на межфазной границе приводит к движению жидкости на поверхности слоя , в обратном направлении потока газа. Это обратное движение происходит за счет термокапиллярного эффекта (эффект Марангони). Следовательно, механизм формирования конвекции в слое жидкости и интенсивность испарения зависят от соотношения целого ряда факторов. В частности, от скорости потока газа, температуры жидкости и газа, а также толщины слоя. Эти параметры определяют силы влияющие на структуру конвекции и динамику испарения с поверхности слоя жидкости.

Целью экспериментальных исследований является измерение удельного массового расхода пара с локальной поверхности межфазной границы и изучение структуры конвективных течений в зависимости скорости потока газа, температуры жидкости и газа, а также толщины слоя жидкости.

Эксперименты проводились в горизонтально установленном рабочем участке №1 при атмосферном давлении. В качестве рабочей жидкости и газа использовались жидкость HFE-7100 и Азот (99.8%). Расход подаваемой жидкости изменялся от 40 до 350 мкл/мин, что соответствует удельному массовому расходу испарения с поверхности жидкости от 0.014 до 0.11 кг/м2с. В ходе эксперимента изменялись три основных параметра: расход газа от 0.1 до 5 л /мин (Число Рейнольдса 40-200), что соответствует средней скорости газа от 0.014 до 0.24 м/с; температура жидкости и газа от 20С до 40 С; толщина слоя жидкости от 1.5 до 8 мм.

На Рис. 3.2 представлена зависимость удельного массового потока пара от средней скорости газа , для различных температур жидкости и газа . Данные представлены для толщины слоя 3 мм . Из графика видно, что поток пара увеличивается при увеличении скорости газа для всех температур жидкости и газа. Для температуры 20 C удельный массовый поток пара изменяется от 0,022 кг/м2с до 0,045 кг/м2с при увеличении средней скорости газа от 0,003 м/с до 0.16 м/с. Рост удельного массового потока пара составляет 200%. Для температуры 30 C удельный массовый поток пара увеличивается на 180% и изменяется от 0,034 кг/ м2с до 0,065 кг/ м2с. Для температуры жидкости и газа 40 C, рост удельного массового потока пара составляет 80% и соответственно изменяется от 0,052 кг/м2с до 0,094 кг/м2с.

Зависимость удельного массового потока пара от средней скорости потока газа для различных температур жидкости и газа. Толщины слоя - 3 мм. [Люлин и Кабов, 2013, 2015] Данные зависимости удельного массового потока пара от средней скорости газа (Рис. 3.2) приведены в логарифмических координатах. Из графика видно, что зависимость имеет нелинейный характер и может описываться степенной функцией: Ql = AUgn , где, Ql – массовая скорость испарения в кг/м2с, Ug – средняя скорость газового потока в m/s, A –постоянная величина и n – степень. Степень n находится из соотношения: n = tg() , где, – угол наклона кривой на Рис. 3.2. Постоянная величина A , может однозначно быть вычислена в любой точке кривой , например для значения скорости газа, 0,16 м/с. Для толщины слоя 3 мм и температуры жидкости и газа 20C, постоянная величина равна 0,06 а степень n – 0,176. Для температуры жидкости и газа 30 C и 40 C, постоянная величина A равна 0,09 и 0,129, степень n составляет 0,167 и 0,146, соответственно.

Как показано, на Рис. 3.2, удельный массовый поток пара с поверхности жидкости существенно зависит от средней скорости потока газа и возрастает с ее увеличением. В первую очередь это объясняется тем, что пар, который образуется вблизи межфазной границы уносится в канале потоком газа. Концентрация пара на свободной поверхности межфазной границы раздела соответствует давлению насыщенного пара при данной температуре пов ерхности раздела. Пар переносится от границы раздела жидкости и газа за счет вынужденной конвекции и диффузии, над поверхностью межфазной границы, образуется концентрационный пограничный слой. Таким образом, происходит рост скорости испарения при увеличении скорости потока газа за счет увеличения градиента концентрации пара в газовой фазе.

Зависимость удельного массового расхода пара с локальной поверхности испарения от температуры жидкости и газа представлена на Рис. 3.3 и 3.3. Данные представлены в логарифмических координатах. Как видно из графика на Рис. 3.3, зависимость удельного массового расхода пара от температуры имеет нелинейный характер и может описываться экспоненциальной функцией: Ql = C Tm , где, Ql – удельный массовый расход пара в кг/(м2с), T– температура жидкости и газа в C, С – постоянная величина и m– степень. Значение степени m изменяется от 1.06 (для Ug = 0,16 м/с) до 1.34 (для Ug = 0,003 м/с). Для скорости потока газа Ug = 0,016 м/с, Ug = 0,03 м/с и Ug = 0,06 м/с значения степени m равняются 1,33, 1,25 и 1,17, соответственно. Таким образом, значение степени m систематически уменьшаются с ростом скорости потока газа. Тем не менее, удельный массовый расход пара с ростом температуры достаточно слабо зависит от скорости потока газа в диапазоне значений от 0,003 м/с до 0,016 м/с. При дальнейшем увеличении скорости потока газа от 0,016 м/с до 0,16 м/с, величина удельного массового расхода пара слабо возрастает.