Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований перегретых жидкостей 12
1.1 Гиббсовская термодинамика микрогетерогенных систем 12
1.2 Кинетическая теория гомогенного зародышеобразования 15
1.2.1 Зародышеобразование на чистой поверхности 20
1.2.2 Классификация флуктуационных центров вскипания 22
1.2.3 Вскипание жидкости на шероховатой поверхности 23
1.3 Теория Журкова 25
1.4 Экспериментальные работы по перегреву жидкостей 27
1.5 Влияние поверхности металлов на зародышеобразование в перегретой жидкости 29
2. Экспериментальная установка. методика проведения опытов 32
2.1 Экспериментальная установка 32
2.1.1 Измерительная ячейка. Рабочая камера. Камера высокого давления. 34
2.1.2 Система дегазации жидкости и заполнения установки 36
2.1.3 Система создания и поддержания давления 39
2.1.4 Система термостатирования и поддержания температуры 41
2.1.5 Система измерения и регистрации времени ожидания вскипания жидкости 42
2.2 Методика проведения эксперимента 45
2.2.1 Изготовление измерительной ячейки 45
2.2.2 Обезгаживание исследуемой жидкости и заполнения ею измерительной ячейки 46
2.2.3 Измерение времени ожидания вскипания перегретой жидкости 47
2.3 Контрольные измерения на установке 53
Результаты и выводы главы 2 54
3. Результаты измерений 55
3.1 Изучаемые системы 55
3.2 Методика проведения опытов и обработки результатов 64
3.3 Результаты измерений 76
3.3.1 Стеклянный порошок 76
3.3.2 Адсорбенты 81
3.3.3 Нанопорошки 83
Результаты и выводы главы 3 90
4. Обсуждение результатов 91
4.1 Определение характерных объёмов у и Vk из изотермических данных по кинетике зародышеобразования 91
4.2 Описание изобар 102
4.3 Сравнение экспериментальных дынных с литературными 109
Результаты и выводы главы 4 111
Заключение 113
Литература 115
Приложение 127
- Зародышеобразование на чистой поверхности
- Система дегазации жидкости и заполнения установки
- Измерение времени ожидания вскипания перегретой жидкости
- Стеклянный порошок
Введение к работе
Процесс кипения жидкостей широко используется в современных производственных процессах и технических устройствах. Область применения простирается от технологий пищевой и химической промышленности до обычной и атомной энергетики, космической техники и вопросов её эксплуатации. В большинстве случаев процессы, связанные с кипением, являются энергонапряженными и протекают с более или менее значительным перегревом жидкостей относительно температуры равновесия жидкость - пар.
В технических приложениях перегрев жидкостей играет обычно негативную роль, т.к. уводит систему от полного термодинамического равновесия и вносит в нее элемент неустойчивости. Для таких приложений требуется разработка способов снижения перегрева. Пористые структуры, наполненные жидкостью, используются в высокоэффективных теплопередающих устройствах - тепловых трубах. С использованием пористых структур связаны методы интенсификации теплообмена.
Метастабильная, перегретая, жидкость обладает рядом особенностей. Прежде всего, ей свойственна пониженная устойчивость относительно образования достаточно большого зародыша (критического пузырька) конкурирующей фазы [1]. По этой причине перегретая жидкость может оставаться в метастабильном равновесии (при заданных значениях параметров состояния) лишь ограниченное время. Причиной, выводящей жидкость из метастабиль-ного равновесия, являются флуктуации плотности, поэтому время ожидания её вскипания оказывается случайной величиной. Как случайная величина время ожидания вскипания характеризуется соответствующими функциями распределения вероятностей, средним значением, дисперсией, моментами более высокого порядка.
Существующая классическая теория образования паровых зародышей в перегретой жидкости (теория Деринга, Фольмера, Зельдовича, Кагана) [2-5]
построена для абсолютно чистой, однородной по параметрам состояния жидкости, вероятность флуктуационного образования зародыша в каждой точке которой одна и та же. Такой процесс образования зародышей называют гомогенным. Другим важным приближением теории является стационарность процесса образования зародышей. Следствием этого предположения является постоянство частоты зародышеобразования - числа сверхкритических жизнеспособных зародышей пара, образующихся во всей системе в единицу времени. Другим следствием этого предположения является экспоненциальный вид функции распределения вероятностей.
В силу перечисленных приближений кинетику вскипания перегретых жидкостей, как правило, экспериментально предпочитали исследовать в простых чистых системах, в которых в максимальной степени устранены факторы, инициирующие вскипание. Для таких систем теория гомогенного зародышеобразования позволяет с погрешностью в несколько десятых долей градуса вычислить температуру достижимого перегрева. Однако она не может правильно предсказать величину среднего времени жизни жидкости в состоянии перегрева. Расхождение в несколько порядков наблюдается вблизи границы достижимого перегрева в температурной окрестности около 2-3 К. Вне этой окрестности расхождение существенно больше, что практически исключает возможность какого - либо сопоставления теории и экспериментальных результатов.
Однако в практически важных случаях перегрев жидкостей реализуется в системах с флуктуационными центрами вскипания. Природа таких центров до конца не ясна, но есть основания предполагать, что существенную роль в механизме их действия играют растворенные в жидкости и адсорбированные стенками газы, а также размер, форма и качества поверхности, ограничивающей перегретую жидкость.
В настоящей работе рассматриваются достаточно сложные системы, построенные из порошков различной химической природы, средний размер
гранул которых изменяется от 300 мкм до 10 нм. Возможность перегрева жидкостей в таких системах не очевидна, поскольку в них может присутствовать большое количество различных флуктуационных центров. Вследствие этого их контакт с перегретой жидкостью может приводить к уменьшению степени перегрева или вообще к его уничтожению. Для таких систем не известны и не могут быть рассчитаны температурные границы перегрева, средние времена существования перефетого состояния при разных температурах и давлениях, функции распределения вероятностей времен ожидания вскипания, зависимость этих величин от технологии приготовления системы. С другой стороны, присутствие жесткой порошкообразной структуры в ячейке существенно уменьшает объем перефеваемой жидкости, которая оказывается еще и раздробленной на большое число малых жидкостных элементов. На основании существующей теории можно ожидать как увеличения среднего времени жизни жидкости в состоянии перефева, так и температуры достижимого перефева. Ответ на вопрос, по какому сценарию будет развиваться вскипание, могут дать лишь экспериментальные исследования. Накопление экспериментального материала позволит прогнозировать поведение других жидкостей в аналогичных условиях.
Таким образом, актуальность работы определяется связью исследуемых систем с важными техническими приложениями; новизной, связанной с отличием от «идеальных систем»; присутствием в них большого количества флуктуационных центров; возможностью использования полученных экспериментальных данных для разработки нового, более реалистичного варианта теории зародышеобразования.
Целью настоящей работы является изучение кинетики флуктуационно-го вскипания перегретой жидкости в системах с сильно развитой поверхностью, образованной структурами из порошков различной химической природы и средним размером фанул, изменяющимся от нескольких сотен микрон
до десятков нанометров, с сильным диспергированием исследуемой жидкости порошковыми структурами.
Для достижения этой цели решены следующие задачи:
создана (разработана и изготовлена) автоматизированная на базе персонального компьютера экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения времен ожидания вскипания исследуемой жидкости вдоль изобар и изотерм, в широкой области параметров состояния;
разработана методика изготовления исследуемых порошковых систем;
разработана методики дегазации таких систем;
проведены измерения средних времен ожидания вскипания перегретой жидкости в различных порошковых системах.
В настоящей работе впервые получены следующие результаты, составляющие основу защищаемых положений:
1. Измерены средние времена ожидания вскипания н-гексана по изоба
рам и изотермам в жестких структурах из порошкообразных: стекла,
активированного угля, силикагеля, целлюлозы, А12Оъ , Zr02 ,
А1 + РЬ0,2%ат.; во взвесях порошков Zr02 и А1 + РЬ0,2%ат. при
объемной концентрации около 50%; при малых объемных концентрациях Zr02.
Определены температуры и давления достижимого перегрева н-гексана в указанных структурах.
Показано, что внесение в чистую систему порошковой структуры (диспергирование системы) приводит к увеличению длительности приработки, снижению средних времен ожидания вскипания и температуры достижимого перегрева.
Предложен и реализован при обработке данных новый способ определения частоты зародышеобразования как функции времени. Показано, что случайный процесс, приводящий к возникновению закритическо-
го жизнеспособного пузырька в изученных системах, является нестационарным.
Вычислены параметры гетерогенного вскипания перегретой жидкости исходя из идеи академика В.П. Скрипова о возможности применения к участкам изотерм с гетерогенным механизмом зародышеобразова-ния флуктуационной теории разрушения твердого тела С.Н. Журкова.
На этой основе предложена простейшая полуэмпирическая парогазовая модель флуктуационного возникновения парового зародыша на твердой поверхности. При подборе входящих в нее констант, как подгоночных параметров, показано хорошее согласие модели и экспериментальных данных, подтверждающее предположение академика В.П. Скрипова.
В практическом плане полученные результаты представляют интерес для прогнозирования поведения в аналогичных условиях других жидкостей; для разработки устройств теплотехнического или физико-химического назначения, содержащих системы, аналогичные рассмотренным в диссертации; для разработки тепловых труб и их эксплуатации; способов снижения или ликвидации перегревов, т.к. в технических приложениях перегрев играет обычно негативную роль. Полученные в диссертации данные могут также служить основой для разработки существенно более новой и универсальной теории флуктуационного зародышеобразования.
Исследования выполнялись в соответствии с планами работы Института теплофизики УрО РАН при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов: 01-02-17214-а, 04-02-16285-а, 00-15-96719, НШ-905.2003.2, НШ -4429.2006.8).
Автором создана экспериментальная установка, произведены все измерения, выполнена обработка полученных данных, произведен их анализ, сделаны необходимые теоретические расчеты, предложена феноменологическая модель изученного явления, подготовлены публикации к печати.
Результаты, приведенные в работе, достоверны и обоснованны, использованием современного высокоточного оборудования в сочетании с вычислительной техникой, большим объемом произведенных измерений, применением современных методов обработки статистических данных, а также воспроизводимостью результатов в системе «н-гексан - чистая ячейка» по температуре достижимого перегрева и качественного вида изобары.
Основные результаты работы докладывались на Ш-ей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002г.), XIV-ой Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообменна в энергетических установках». (Рыбинск, 2003г.), V-м Минском международном форуме по тепло- и массобмену. (Минск, 2004.), XV-ой Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообменна в энергетических установках.» (Калуга, 2005г.), XI-ой Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. (Санкт - Петербург, 2005г.), IV-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006г.).
По материалам диссертации опубликованы: 1 статья в рецензируемом журнале, 1 статья в сборнике трудов Института теплофизики, 8 статей в сборниках докладов на международных и российских конференциях. Библиографический список представлен в конце диссертации.
Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и приложение в конце диссертации, в котором приводятся таблицы экспериментальных данных.
Работа выполнялась в Институте теплофизики УрО РАН в лаборатории свойств веществ и сверхпроводящих материалов и является продолжением исследований по влиянию различных инициирующих факторов на кинетику вскипания перегретой жидкости.
Автор выражает особую благодарность академику В.П. Скрипову и научному руководителю работы зав. лабораторией СВ и СПМ, профессору Г.В. Ермакову за полезное обсуждение результатов, своевременную и полезную критику, конструктивные предложения; чл.-корр. РАН Ю.А. Котову, д.х.н. В.И. Кононенко за предоставленные для исследований нанопорошки; д.ф.-м.н. О.И. Клюшникову за консультации и помощь в определении размеров и составов некоторых систем; к.ф.-м.н. И.М. Падерину; к.х.н. Плеханову П.В. за консультацию и помощь в подготовке исследуемых систем; к.т.н. Коноплину А.Д. за полезную критику и помощь при создании некоторых элементов установки. На разных этапах работы оказывали помощь и содействие сотрудники института B.C. Усков, С.А. Перминов, М.А. Паршакова, А.А. Уй-мин, В.В. Васянин. Им я также приношу свою искреннюю признательность.
Зародышеобразование на чистой поверхности
В случае пузырька пара, возникшего на поверхности стенки (рис. 1.1), работа образования критического зародыша определяется следующим образом [12]: где F(0) - функция краевого угла, которая имеет смысл отношения объема усеченного пузырька к полной сфере при заданном радиусе. 4 0) определяется выражением: краевой угол 0 вычисляется по формуле Юнга: (1.26) где G,G,о - поверхностное натяжение соответственно, для границ раздела жидкость - пар, твердое тело - жидкость и твердое тело - пар. Анализируя выражения (1.25) и (1.26) можно сделать следующие выводы.
При хорошем смачивании (в области малых углов 0) W j/ - WKp, в других случаях Wrf WKp При одинаковых углах смачивания 0 W на плоском участке поверхности больше, чем на вогнутом, но меньше чем на выпуклом (см. рис. 1.1). Существуют и более сложные случаи, когда поверхность не гладкая или покрыта поверхностно-активным веществом , однако и в этих случаях имеет место уменьшение работы образования, т.е. Jf W . Таким образом, контакт жидкой фазы с поверхностью всегда облегчает зародышеобра-зование. Существуют и другие физические факторы, приводящие к инициированию вскипания. В частности, рассматриваются следующие разновидности флуктуационных центров [13,21]: - слабые места; - ядра вскипания; - популяционный всплеск. Зародышеобразование в случае «слабых мест» происходит вследствие существования в системе микропор на стенках и на взвешенных броуновских частицах, а так же на «островках» Френкеля. В этом случае говорят о гетерогенном зародышеобразовании и о снижении работы образования критического зародыша. Для класса «ядра вскипания» зародышеобразование является следствием неоднородности температуры в системе («горячий» пичек), неоднородности давления (ядро кавитации) либо концентрационной неоднородности (наличие в системе легкокипящей компоненты). Вскипание в этом последнем случае, характеризуется наличием этапов стохастического зарождения критического пузырька (легкокипящей компоненты) и детерминированного до-растания этого пузырька до критического радиуса основной жидкости.
Зародышеобразование в классе «популяционный всплеск» возможено в случаях внешнего воздействия на систему мягкого ионизирующего излуче ния или действие светового излучения при наличии фотодиссоциации, а также в результате запаздывания установления стационарного значения функции распределения в резко нестационарных процессах. Этот процесс происходит в системе, где возможны слабые локальные возмущения. Эти возмущения не приводят к снижению работы образования критического зародыша, однако, в такой системе существует малая конечная вероятность перехода докритического зародыша в закритический. Внешнее воздействие на систему приводит к увеличению численности таких докритических зародышей. Частный случай зародышеобразования в классе «слабые места» был рассмотрен Несисом Е.Щ22]. Шероховатая поверхность еще больше облегчает вскипание на ней жидкости, по сравнению с гладкой поверхностью. Её влияние на процесс кипения было показано в экспериментальных работах [23-25]. Узкие углубления, трещины и поры являются основными элементами шероховатости, играющие роль при вскипании жидкости. Рассмотрим в смачиваемых поверхностях нагрева, наиболее часто встречающиеся на практике, конические поры (рис. 1.2). Наличие в такой поре некоторого количества газа является необходимым условием её пузыреоб-разующей способности. Условие механического равновесия (1.1) для такой системы имеет вид:
Система дегазации жидкости и заполнения установки
Экспериментально было выявлено, что температура достижимого перегрева в измерительной ячейке зависит от качества обезгаживания как исследуемой жидкости, так и непосредственно мелкодисперсного порошка. Как правило, чем больше газа содержится в системе, тем ниже средние времена жизни жидкости и достижимый перегрев [114, 126]. Поэтому перед заполнением исследуемой системы рабочей жидкостью, исследуемая жидкость обезгаживается, все коммуникации гидравлической системы установки прокачиваются до форвакуума, а мелкодисперсный порошок просушивается под форвакуумом в измерительной ячейке до температуры 470К. После чего исследуемая система заполняется методом переконденсации. Вышеописанные процедуры выполняются с помощью системы дегазации жидкости и заполнения установки, блок-схема которой представлена на рис.2.3. Основные детали представленного установочного стенда - четвертник, штуцера, заправочные емкости, вентили - изготовлены из нержавеющей стали. Коммуникации собраны также из нержавеющей трубки с внутренним диаметром 3 мм. В качестве уплотнителей в соединительных элементах используется фторопласт. В процессе сборки установочного стенда все детали тщательно промыты спиртом, а в ходе апробирования стенда - несколько раз рабочей жидкостью. Система дегазации жидкости и заполнения ей установки содержит следующие элементы: заправочные емкости - (1) с электрическим нагревателем (термостат) - (2) и исследуемой жидкостью - (4), которые помещены в сосуды - (3) для заливки жидкого азота (криостат); систему трубопроводов и вентилей; вакуумметр (9); азотную ловушку - (10) и форвакуумный насос -(11). Стеклянный капилляр - (7) с исследуемой насыпкой - (8) благодаря уплотнению в рабочей камере - (6) соединяется с системой дегазации и заполнения и камерой высокого давления - (5). Описанная система позволяет реализовать метод дегазации исследуемой жидкости откачкой, а также путем перекр металлизации.
Метод откачки основан на уменьшении растворимости газа при уменьшении его давления. Заправочная емкость с н-гексаном постепенно нагревается до температуры 373,2 К (100С). Давление в этой системе увеличивается, а растворимость газа уменьшается. Во время нагрева парогазовая смесь над н-гексаном скачивается форвакуумным насосом несколько раз. Обезгаживание системы методом перекристаллизации происходит следующим образом. Н-гексан под действием разности температур переконденсируется из одной заправочной емкости в другую, охлажденную до температуры ниже температуры кристаллизации исследуемой жидкости (на стенках которого происходит его кристаллизация). После кристаллизации исследуемой жидкости на стенках охлажденной емкости, оставшаяся парогазовая смесь скачивается форвакуумным насосом. Для исключения вероятности попадания из форвакуумного насоса масла, форвакуумный насос отделяется от остальной системы «азотной ловушкой» (10). После установки измерительной ячейки в рабочую камеру она несколько раз заполняется исследуемой жидкостью. Для этого используется метод переконденсации, т.е. перекачивание исследуемой жидкости за счет разности температур из заправочной емкости в измерительную ячейку. Обезгаженная исследуемая жидкость находится в заправочной емкости (1) (см рис.2.3 ), которая нагревается до 373,2 К (100С). Измерительная ячейка (7) охлаждается до 273,2 К (0С). Для удаления парогазовой смеси вся система: коммуникации, рабочая камера (6) с измерительной ячейкой (7) и силь-фоном прокачиваются форвакуумным насосом (11). После чего открываются вентили, и исследуемая жидкость за счет градиента температур переконденсируется в более холодную область - в измерительную ячейку (7). Таким образом, система заполняется исследуемой жидкостью до полного исчезновения видимых пузырьков в стеклянном капилляре. Затем в заполненной, таким образом системе обезгаженной жидкостью устанавливается атмосферное давление, которое выдерживается в течение получаса. После этого вентиль на рабочей камере перекрывается. Установка готова к проведению эксперимента. Давление в измерительной ячейке (I) (см. рис.2.1) подается из системы создания и поддержания давления (II). Из баллона с углекислотой (3) сжатый газ С02 поступает по коммуникациям в камеру высокого давления (1). Изменение режимов давления происходит за счет подачи напряжения на электроклапаны (4(а),4(б)) через коммутатор (6), режим работы которого задается ПЭВМ.
Обратная связь исследуемой системы с ПЭВМ осуществляется через преобразователь давления КРТ 5-1 (2). Визуальное наблюдение за изменением давления ведется по образцовому манометру с верхним пределом измере ния 25кгс/см (5) и классом точности 0,4. Погрешность в определении давления составляет 0,01 МПа. Для перевода исследуемой системы в метастабильное состояние, при заданной температуре Т в системе создается давление поджатия рп, равное 2,0 - 2,3 МП а . Для этого включается электромагнитный клапан 4(a) (см. рис.2.1) и газ из баллона с углекислотой 3 поступает в камеру высокого давления 1. С целью выровнять температуру исследуемой системы, изменившейся в результате вскипания в предыдущем цикле, давление рп удерживается постоянным в течение tx =90 с. Затем клапан 4(a) закрывается, а клапан 4(6) приоткрывается и происходит сброс давления до заданного значения р
Измерение времени ожидания вскипания перегретой жидкости
В эксперименте непосредственно измеряется время жизни сильноперегретого н-гексана. Для этого измерительную ячейку подключают к системе создания и поддержания давления, а ее рабочую часть помещают в термостат. На капилляр устанавливается система осветитель - датчик освещенности. Для создания заданной температуры в термостате выполняются следующие процедуры. В термостате включаем мешалку с электроприводом, затем основной и дополнительный нагреватели. На «Термоконе» выставляем значение температуры (в мкв), которую необходимо достигнуть. Достигаемый нагрев теплоносителя за счет основного нагревателя на 5 градусов ниже задаваемой температуры. Достижение и удержание необходимой температуры происходит благодаря дополнительному нагревателю, работу которого регулирует «Термокон». Изменение режимов давления, измерение времени ожидания вскипания и запись полученных результатов в буфер производится автоматически. Для этого параметры эксперимента вводятся в ПЭВМ через интерфейс программы. Данное программное обеспечение было разработано и внедрено н.с. лаб. СВ и СПМ С.А. Перминовым. На рис.2.7 представлены основные этапы работы программы. Во-первых, устанавливаются номера каналов коммутатора (1), через которые происходит включение/выключение электромагнитных клапанов. Во-вторых, выбирается режим работы (2). Затем устанавливаются следующие параметры: порог сигнала датчика освещенности (3), время выдержки жидкости под давлением поджатия (4), время приоткрывания (5) клапана (4(6)) (рис.2.7) для сброса давления до промежуточного давления, время удержания системы при промежуточном давлении (6), значение заданного давления (7) при достижении которого начинается отсчет времени жизни жидкости.
На рис.2.7 составлен следующий алгоритм эксперимента. Жидкость под давлением 20 кгс/см (3195 относительных единиц соответствуют давле-нию в 20 кгс/см ), выдерживается в течении 90с, затем происходит промежу-точный сброс давления до 11,5 кгс/см (при открывании клапана на 180 мс давление со значения 20 падает до значения 11,5 кгс/см ). Далее система удерживается при промежуточном давлении в течении Юс. Затем происходит сброс до атмосферного значения (2385 относительных единиц соответствуют атмосферному давлению). После чего происходит измерение времени жизни жидкости в изучаемой системе. На интерфейсе программы можно отслеживать динамику эксперимента (см. рис.2.7) (работа каналов коммутатора (8), этапы работы программы (9), текущие значения показаний датчика давления (10) и датчика освещенности (И), занесение значений эксперимента в буфер (12)). Рассмотрим динамику работы приложения на примере 283 измерения (см. рис.2.8-2.12). Изучаемая система выходит на заданное давление. Начинается отсчет времени (рис. 2.11). Рис.2. 12. Регистрация времени жизни жидкости в перегретом состоянии. Происходит вскипание жидкости. Фиксируется время жизни жидкости. Полученное значение времени жизни жидкости заносится в буфер программы (рис. 2.12). При измерении времени жизни жидкости полученный результат представляет собой либо положительное действительное значение, либо ноль. Положительное действительное значение означает, что система успешно перешла в заданное метастабильное состояние и при заданном давлении и температуре происходит измерение времени жизни жидкости. После создания установки произведены контрольные измерения времени ожидания вскипания перегретого н-гексан в чистой стеклянной ячейке.
Результаты измерений представлены на рис.2.13. Из рисунка 2.13 видно, что данные по температуре достижимого перегрева хорошо согласуются между собой и литературными данными [98] (расхождение около 0,3 К). Расхождение средних времен ожидания вскипания перегретой жидкости в области плато (Т=446-453 К) составляет менее 3 с, а в температурном диапазоне Т=453-454,4 К - около 1,5с. При этом, доверительные интервалы экспериментальных точек при заданной температуре почти всегда перекрываются между собой. Приработка измеряемой системы составляет 100 - 200 вскипаний. Предельный перегрев равен 454,4К (181,2С). Таким образом, контрольные измерения свидетельствуют о надежности работы установки. 1. Создана автоматизированная на базе персонального компьютера экспе риментальная установка для измерения средних времен жизни перегре той жидкости по изобарам и изотермам, отличающаяся от предшест вующих следующими качествами: - измерение времени жизни производится после установления заданного метастабильного состояния; - задание условий эксперимента (измерение по изотермам или изобарам), измерения времен жизни жидкости в метастабильном состоянии и занесение результатов измерений в компьютер производятся в автоматическом режиме, через интерфейс программного обеспечения. 2.
Разработана и реализована методика создания сложной системы «жидкость - мелкодисперсная порошкообразная структура». 3. Разработаны и реализованы методики дегазации исследуемых систем. 4. Проведены контрольные измерения в чистой ячейке, в которых в пределах погрешностей, указанных в работе, воспроизведены температуры достижимого перегрева н-гексана при атмосферном давлении, полученные ранее другими авторами. Таким образом, показана достоверность и надежность производимых измерений. В настоящей главе представлены экспериментальные результаты по кинетике вскипания н-гексана с различными насыпками [116 - 125]. Это -стеклянный порошок, уголь, силикагель, целлюлоза, оксид алюминия, оксид алюминия со свинцом, оксид циркония. Каждая такая сложная система сравнивается с данными, полученными для чистых условий, без насыпок. Таким образом, мы можем качественно оценить, как различные насыпки влияют на перегрев жидкости. Измерения проведены вдоль изобары р =\ атм. и вдоль нескольких изотерм.
Стеклянный порошок
Для выяснения влияния на кинетику вскипания перегретого н-гексана однородной разветвленной поверхности, а также возможных эффектов, связанных с разбиением объема исследуемой жидкости на множество малых объемов, проведены измерения в системе «н-гексан - стеклянный порошок». Рабочий объем капилляра равен 0,06 см . Процесс приработки в такой системе длится 5000 вскипаний. Максимально достижимый перегрев составляет 454,2К (181,0С). На рис.3.14 представлены изобары для систем «н-гексан - чистая ячейка», «н-гексан - стеклянный порошок». Границы достижимого перегрева для таких систем составляют 454,4 К (181,2 С) и 454,2 К (181,0 С) соответственно. Внесение в систему стеклянного порошка снижает средние времена ожидания вскипания жидкости в температурном интервале от 443,2 — 453,2 К до 5с, а для 453,2 - 454,2 - до 1,8с. Для обоих систем наблюдается перегрев относительно расчетной кривой гомогенного зародышеобразования. Для системы «н-гексан - чистая ячейка» перегрев по температуре составляет 0,85К. Для системы «н-гексан -стеклянный порошок» - 0,7К. На рисунке 3.15 представлены изотермы Т=443,2 К (170С) для систем «н-гексан - чистая ячейка», «н-гексан - стеклянный порошок». Полученные изотермы описываются прямыми линиями с разными угловыми коэффициентами. Внесение в систему стеклянного порошка снижает средние времена ожидания вскипания н-гексана. Так для системы «н-гексан - чистая ячейка» в диапазоне р 1 ..3.2бар средние времена ожидания вскипания (т) изменяются от 17 до 495с, а для системы «н-гексан - стеклянный порошок» в интервале давлений р І..6бар т изменяется от 16 до 162с. На рисунке 3.16 представлены изотермы 451,2 К (Т=178С) для систем «н-гексан - чистая ячейка», «н-гексан - стеклянный порошок». Полученные изотермы описываются: для системы «н-гексан - чистая ячейка» - экспоненциальной зависимостью, для системы «н-гексан - стеклянный порошок» - прямой линией. Внесение в систему стеклянного порошка снижает средние времена ожидания вскипания н-гексана. Так для системы «н-гексан - чистая ячейка» в диапазоне р 1-5,9 бар средние времена ожидания вскипания (т) изменяются от 3,7 до 504,8с, а для системы «н-гексан -стеклянный порошок» в том же интервале давлений х изменяется от 1,2 до 56,5 с. На рисунке 3.17 представлены изотермы для систем «н-гексан - чистая ячейка» 454,4К (Т=181,2С), «н-гексан - стеклянный порошок» 454,2К (Т=181С). Из рис.3.17 видно, что на изотермах для систем «н-гексан - чистая ячейка» и «н-гексан - стеклянный порошок» при температурах 454,4 и 454,2К, соответственно, можно выделить два участка: р изменяется от 0,9 до 1,5 бар - крутой участок - описываемый линейной зависимостью, р изменяется от 1,5 до 7 бар - участок описываемый экспоненциальной кривой. Внесение в систему стеклянного порошка уменьшает средние времена ожидания вскипания н-гексана. Так в диапазоне р от 1,5 до 7 бар для системы «н-гексан - чистая ячейка» средние времена изменяются от 2,5 до 226с, а для системы «н-гексан - стеклянный порошок» т изменяется от 1,5 до 55с.80 3.3.2 Адсорбенты. Рассмотрим влияние на кинетику вскипания н-гексана разнородных разветвленных поверхностей с хорошо развитой пористой структурой.
Исследуются системы «н-гексан - жесткая структура, активированный уголь», «н-гексан - жесткая структура, целлюлоза» и «н-гексан - жесткая структура, силикагель», с рабочими объемами 0,05, 0,03 и 0,026 см , соответственно. Максимально достижимый перегрев составляет 443,2, 444,2 и 443,2 К, соответственно. На рис.3.18 представлена температурная зависимость 1п(т) от Т. Внесение в исследуемую систему активированного угля, целлюлозы или силика-геля приводит к уменьшению достижимого перегрева на 10-11 К. Для системы «н-гексан - жесткая структура, силикагель» средние времена ожидания вскипания в температурном диапазоне от 413,2 К до 443,2 К изменяются от 1020 до 1,4с. Для системы «н-гексан - жесткая структура, целлюлоза» - это время составляет от 26 до Зс в диапазоне температур 421,2 - 444,2К. Для системы «н-гексан - жесткая структура, активированный уголь» в интервале температур 383,2 - 443,2К времена ожидания вскипания изменяются от 397 до 2,4с. In (і) Рассмотрим влияние на кинетику вскипания н-гексана присутствия разветвленных поверхностей с размером частиц порядка 100 - 1 Онм.
Исследования проводятся в системах: «н-гексан - жесткая структура, Al + Pb 0,2% ат.», «н-гексан - взвесь, Al + Pb 0,2% ат.», «н-гексан - жесткая структура, А1203», «н-гексан - малые добавки, Zr02», «н-гексан - взвесь, Zr02 », «н-гексан -жесткая структура, Zr02», с рабочими объемами 0,06 см3. Приработка в таких системах длится порядка 600 вскипаний. Температура достижимого перегрева для систем : «н-гексан - жесткая структура, Al + Pb 0,2% ат.», «н-гексан - взвесь, Al + Pb 0,2% ат.», «н-гексан - жесткая структура, А1203, заполнение 1», «н-гексан - жесткая структура, А1203, заполнение 2», «н-гексан - малые добавки, Zr02», «н-гексан - взвесь, Zr02», «н-гексан - жесткая структура, Zr02 », соответственно составляет 409,ЗК (136,1С), 409/7К (136,5С), 435,2К (162С), 442,2К (169С), 454,4К (181.2С), 433,2К (160С) и 436,2К (163С). На рис.3.19 представлены зависимости среднего времени ожидания вскипания от температуры. Видно, что в системе с малыми добавками Zr02, средние времена ожидания вскипания н-гексана фактически совпадают с данными для системы «н-гексан - чистая ячейка». В температурном интервале от 443,2К (170С) до 454,4 (181,2С) т изменяется от21,7 до 0,2с. При рассмотрении систем с достаточно большим количеством нанопо-рошка, видно, что в таких системах снижается температурный перегрев жидкости. В основном зависимости можно аппроксимировать прямыми с близкими угловыми коэффициентами (кроме систем «н-гексан - жесткая структура, А1 + РЬ 0,2%) ат.», «н-гексан - взвесь, Al + РЪ 0,2% ат.»). Так для системы
