Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика процесса кипения и теплообмена на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей 11
1.1. Общая характеристика кинетики процесса пузыреобразования на границах раздела твердое тело - жидкость и расплав - жидкость 11
1.2. Об основных внутренних характеристиках процесса кипения 19
1.3. Характерные особенности процесса теплообмена на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей 25
1.4. О характере испарения жидкостей и процессе генерации пара 35
2. Анализ внутренних характеристик процесса кипения на границе раздела двух жидких фаз 41
2.1. Кинетика процесса пузыреобразования на границе раздела двух жидких фаз 41
2.2. Анализ процесса генерации пара на границе раздела двух жидких фаз 49
2.3. Экспериментальное исследование основных внутренних характеристик пузырькового кипения 55
Характерные особенности процесса генерации пара на границе раздела двух жидких фаз 64
3.1. Теоретический анализ скорости испарения жидкости со свободной поверхности и с поверхности расплава 64
3.2. Теоретический анализ производительности пара на границе раздела двух жидких фаз 71
3.3. Экспериментальное исследование процесса генерации пара на границе раздела двух жидких фаз 74
4. Анализ процесса теплообмена на границе раздела двух жидких фаз 80
4.1. Теоретический анализ теплопередачи на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей 80
4.2. Описание экспериментальной установки и метода измерений... 84
4.3. Экспериментальное исследование теплофизических параметров
на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей 91
Заключение 96
Выводы 97
Литература
- Об основных внутренних характеристиках процесса кипения
- О характере испарения жидкостей и процессе генерации пара
- Анализ процесса генерации пара на границе раздела двух жидких фаз
- Теоретический анализ производительности пара на границе раздела двух жидких фаз
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Использование кипящих жидкостей в последние десятилетия нашло достаточно широкое применение во многих областях техники. Процесс кипения широко используется в химической и пищевой промышленности, криогенной и ракетной технике и т. д.
Такие свойства процесса кипения как наиболее эффективный отбор тепла от поверхности нагревателя к кипящей жидкости, удаление из кипящей смеси в первую очередь более летучей компоненты и др. сделали его широко востребованным во многих областях техники.
Процессу кипения посвящено достаточно большое число научных работ, но, несмотря на это, данное состояние двухфазного потока остается еще недостаточно изученным в виду его сложности.
Осуществление технологических процессов, связанных с кипением, требует глубокого знания всех деталей данного фазового перехода.
Однако, в настоящее время еще не до конца выяснены такие процессы, как зарождение и развитие паровой полости внутри жидкости, характер распределения температуры в самой жидкости и соприкасающейся с ней поверхностью нагревателя. Особенно это касается процесса образования паровой фазы на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. Именно в этом случае недостаточно изучены такие тепловые параметры, как плотность теплового потока и коэффициент теплоотдачи. Абсолютно неизученной остается геометрия парового пузырька и частота его отрыва. Малоизученным остается и влияние капельного распыления более плотной фазы в кипящую жидкость и его влияние на процесс теплообмена.
Кроме того, недостаточно изучены скорость испарения жидкости как со свободной поверхности (зеркальной), так и с границы раздела двух несмешивающихся жидкостей.
Все это свидетельствует об актуальности предложенной темы диссертационной работы. Данная диссертационная работа посвящена исследованию некоторых из указанных выше аспектов.
Цель работы
заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании процесса генерации пара со свободной поверхности жидкости и с поверхности расплава, а также изучении процесса пузыреобразования на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.
Задачи исследования.
Исследование указанной проблемы было связано с решением следующих задач:
1.Теоретическое и экспериментальное исследование области раздела двух несмешивающихся жидкостей.
2. Теоретический анализ процесса пузыреобразования на границе раздела расплав - жидкость и выявление связи между величиной пузыреобразующего слоя и температурным напором.
3. Экспериментальное исследование величины отрывного диаметра паровых пузырьков и частоты их отрыва при кипении на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.
4.Теоретическое и экспериментальное исследование зависимости скорости генерации пара с поверхности расплава от температурного напора в режиме насыщенного пузырькового кипения жидкости в условиях нормального атмосферного давления.
5.Теоретический анализ и экспериментальное исследование величины производительности пара при кипении жидкости на поверхности расплава в зависимости от величины температурного напора.
6. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния величины перегретого слоя жидкости и переохлажденного слоя расплава на величину плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи.
Научная новизна.
В исследовании автора впервые:
1. Сделана оценка размера микроскопической полости более летучей фазы в расплаве, на основе которой происходит зарождение и образование паровой фазы.
2. Проведен анализ влияния температурного напора на величину пузыреобразующего слоя в области раздела двух несмешивающихся жидкостей.
3. Получены данные о величине отрывного диаметра и частоты отрыва парового пузыря на границе раздела двух несмешивающихся фаз.
4. Разработана и предложена математическая модель, позволяющая определить температурную зависимость скорости испарения жидкости с поверхности расплава.
5. Разработан метод расчета производительности пара в зависимости от величины температурного напора.
6. Изучен профиль температур на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, получены данные о величине перегретого слоя жидкости и переохлажденного слоя расплава.
7. Сделана оценка плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи по величине перегретого слоя жидкости и величине переохлажденного слоя расплава.
Научная и практическая значимость работы:
1. Предложен рациональный метод оценки размера микроскопической полости более летучей фазы в приграничном слое двух несмешивающихся жидкостей.
2. Проведен качественный анализ влияния температурного напора на толщину пузыреобразующего слоя расплава.
3. Впервые получены экспериментальные данные о величине отрывного диаметра и частоте отрыва паровых пузырьков на границе раздела расплав - жидкость.
4. Предложена математическая модель зависимости скорости испарения жидкости с поверхности расплава от температурного напора.
5. Предложен метод расчета производительности пара в зависимости от величины температурного напора.
6. Сделана оценка толщины перегретого слоя жидкости и переохлажденного слоя расплава.
7. Сделана оценка плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи по величине переохлажденного слоя расплава и перегретого слоя жидкости.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Метод оценки размера микроскопической поры более летучей компоненты в приграничной области двух несмешивающихся жидкостей.
2. Характер зависимости толщины пузыреобразующего слоя от величины температурного напора.
3. Результаты экспериментального определения значений отрывных диаметров и частоты отрыва паровых пузырьков при различных значениях температурного напора. Математическая модель для оценки скорости испарения с поверхности расплава при кипении жидкости в условиях нормального атмосферного давления.
5. Метод расчета производительности пара в зависимости от величины температурного напора.
6. Результаты экспериментального определения толщины перегретого слоя жидкости и переохлажденного слоя расплава.
7. Теоретические и экспериментальные результаты определения величины плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи для различных значений температурного напора.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре физики Ставропольской государственной медицинской академии (2001-2004 г.г.), на кафедре теплотехники Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь, 2002-2004 г.г.), на IV, V и VI региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2000-2002 г.г.), на III Международной конференции «Циклы» (г. Ставрополь, 2001г.)
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ. Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений.
Диссертация содержит 117 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 131 наименования.
Об основных внутренних характеристиках процесса кипения
В связи с широким использованием процесса кипения в энергетике, теплотехнике и промышленности, вопрос теплообмена, сопровождающего процесс кипения, имеет важное теоретическое и прикладное значение.
Для количественной характеристики процесса переноса тепла используют коэффициент телоотдачи а. Его определяют как отношение плотности теплового потока q к перепаду температуры AT (температурному напору). « = - (-1 4). (1Л9) AT м -град
Для пузырькового кипения экспериментально подтверждены следующие данные [6]: 1. Эмпирически получены формулы для связи коэффициента теплоотдачи с тепловым потоком и температурным напором: a = const У-7 (120) a = const-(АТ)т (т = (2 + 3))
2. На значение коэффициента теплоотдачи значительно влияет внешнее давление as const-Р0п(0,\5 п 0А) (1.21)
3. Коэффициент теплоотдачи зависит от значений поверхностного натяжения а и кинематической вязкости v в связи с изменением краевого угла 0, если же последний остается неизменным, то а слабо зависит от а и V.
Вообще, зависимость а \Р) подробно описана в работах Аладьева И.Т. и Яшнова В.И. [119,120]. С ростом угла увеличивается число активных центров на поверхности нагрева, а частота отрыва пузырьков уменьшается. На рис. 3 приведена кривая зависимости a = F(@). a
Кривая зависимости a=F(0). Кроме всего вышеперечисленного, определенное влияние на значения а оказывает скорость течения жидкости, различные внешние поля, явления «старения», геометрия и химические свойства поверхности нагрева, степень дегазации жидкости и т.д.
В [1] приведено решение задачи определения коэффициента теплоотдачи с помощью теории подобия. В рамках приближенного анализа не учитывались свойства поверхности нагрева.
В процессе пузырькового кипения фактически все количество теплоты, идущее от поверхности нагревателя, передается жидкости. Вслед за этим оно переходит в теплоту фазового перехода. Количество теплоты, передающееся паровой фазе непосредственно от нагревателя, незначительно.
Механизм теплообмена между поверхностью нагревателя и жидкостью обусловлен периодическими элементарными актами, которые вызывают сильные колебания температуры соприкасающихся слоев жидкости и поверхности нагрева.
Таким образом, основой для модели реального процесса служит протекающий в специфических условиях нестационарный теплообмен между твердым телом и жидкостью. Вид основных чисел подобия определяется из системы дифференциальных уравнений, описывающих нестационарный конвективный теплообмен. В нее входят: -» уравнение неразрывности div w = О, (1.22) -» уравнение движения жидкости — + (wgrad)w = g—gradp + iW2w, (1.23) дт р уравнение энергии — + (wgrad)T = aV2T, (1-24) от уравнение теплообмена на границе поверхность нагрева жидкость — = —AT. (1-25) ду Л Числа подобия, получающиеся из системы этих уравнений, в общем виде известны: Nu = L Fo = I вг = Ж Pe = L r = - Eu = - r (1.26) Л I v a a pw Nu - определяемое число, а числа Eu, Gr - можно опустить. Вводя величину -2- как своеобразное выражение скорости, а также гРп принимая среднее значение отрывного диаметра „ за характеристический линейный масштаб и частоту образования паровых пузырей /0 - за величину, обратную характеристическому промежутку времени, автор [1] получил следующие критерии для теплообмена при кипении:
О характере испарения жидкостей и процессе генерации пара
Переход жидкости в парообразное состояние может осуществляться и путем испарения с ее зеркальной поверхности, и при достаточно высокой температуре нагревателя - посредством кипения [6,10,11,63,76 ].
В процессе кипения жидкость испаряется в паровой пузырек, т.е. с криволинейной (вогнутой) поверхности раздела фаз. А в этом случае молекулы жидкости при пересечении границы раздела фаз должны совершать большую работу против молекулярных сил (работа выхода), чем при испарении с плоской поверхности. Поэтому при одинаковой температуре жидкости, т.е. при одинаковом среднем уровне кинетической энергии молекулы, в первом случае в паровое пространство переходит меньшее число молекул.
В работе [38] предложена формула для определения величины перегрева жидкости, необходимой для испарения ее в пузырь радиуса R. F R rp
Анализ формулы показывает, что при уменьшении до нуля радиуса пузырька, величина перегрева неограниченно возрастает. Это означает, что процесс генерации пара в реальных условиях конечных значений перегрева может происходить только если в жидкости уже есть центры парообразования.
Величиной перегрева жидкости определяются значения всех локальных характеристик процесса парообразования (скорость роста парового пузыря, число центров и частота парообразования, диаметр пузыря при отрыве от поверхности), а следовательно и интенсивность теплообмена.
Как показано в [46, 56] плотность теплового потока, снимаемого единичным пузырем в период его роста, почти на порядок выше средней подводимой плотности теплового потока. Столь высокие значения локальных плотностей тепловых потоков могут быть объяснены лишь с позиции существования под растущим паровым пузырем тонкого, испаряющегося со временем микрослоя жидкости, толщиной в несколько единиц или десятков микрон [121,122].
Как отмечено в [8, 11, 27,50 53], в результате наиболее интенсивного испарения жидкости в области вокруг парового пузыря температура поверхности нагрева понижается. Вдоль радиальных линий относительно пузыря возникает разность температур ДТ , которая ведет к появлению перепада давлений Ар . Поэтому пристенный слой жидкости будет устремляться вдоль радиальных линий по направлению к центру основания пузыря. В результате у границы раздела трех фаз в основании пузыря образуется весьма тонкий и узкий слой жидкости в виде кольца (микрослой). Испарение микрослоя будет являться основным процессом, определяющим рост парового пузыря на поверхности нагрева (рис. 6).
Экспериментальные наблюдения с помощью интерференционного метода [123] показали, что испаряющийся микрослой жидкости имеет в сечении клиновидную форму, которая уменьшается (за счет испарения) к центру основания пузырька. Те же исследования показали, что испарение микрослоя может сопровождаться образованием в зоне центра кипения «сухого» пятна, радиус которого приблизительно пропорционален корню квадратному из времени роста пузыря. Причем наиболее интенсивное утончение (за счет испарения) микрослоя происходит в сравнительно небольшой области, прилегающей к «сухому» пятну. Толщины микрослоя вне этой области остаются во времени практически постоянными, что может быть объяснено эффектом подтекания жидкости по периферии к центру основания пузырька.
Генерация пара из области микрослоя в паровой пузырь, связанная с отводом тепла от поверхности нагрева, приводит к возникновению температурных флуктуации под паровым пузырем.
Впервые наличие колебаний температуры под растущими пузырьками пара было обнаружено Сю и Шмидтом, а также Муром и Меслером [106, 121]. Муру и Месслеру при помощи миниатюрной термопары удалось показать, что температура поверхности вблизи центра парообразования падает за время роста парового пузыря тр до некоторой минимальной величины - (I), и затем в «период молчания» центра парообразования тм восстанавливается до первоначальной величины - (II) (рис.7). Купер и Ллойд [122] провели исследование связи между локальными флуктуациями температуры нагревателя и поведением микрослоя при пузырьковом кипении различных жидкостей. Они получили следующую зависимость для S0 - начальной толщины пленки микрослоя: 0=0,8Vv7, (1.40) где / - время роста основания пузырька, v - кинематическая вязкость жидкости. Средняя толщина S0 имеет порядок нескольких микрон. Кроме того, ими был исследован вопрос о характере временной зависимости температуры поверхности под растущим паровым пузырьком (рис. 7).
Анализ графиков, отражающих эти зависимости, показывает, что на первом этапе происходит испарение микрослоя, сопровождающееся понижением температуры вблизи активного центра и ростом соответствующего теплового потока.
Анализ процесса генерации пара на границе раздела двух жидких фаз
Аналогичные реакции разложения имеют место для этанола, метанола и других жидкостей при соответствующих катализаторах и значениях температуры.
Таким образом, пузыреобразование в области раствора происходит либо за счет разложения амикроскопических капель жидкости, либо вследствие их перехода в парообразное состояние под действием высоких температур.
Образовавшиеся газовые или паровые пузырьки движутся к границе раздела XY - осуществляется процесс кипения жидкости на поверхности расплава.
В некоторых случаях диффузное перемешивание жидкостей приводит к образованию новой фазы. Известно [128], что если валентные электроны контактирующих веществ А и В находятся в одинаковых s и р состояниях, то может образоваться ионно-ковалентная связь. В результате образуется интерметаллическое соединение полупроводникового типа или интерметаллическое соединение с металлической связью и т.п. Возникшая на границе раздела новая фаза существенно замедляет диффузию, что приводит к невозможности осуществления процесса пузыреобразования.
Проведя анализ процесса пузыреобразования на границе раздела различных сред (твердое тело - жидкость и расплав - жидкость), будем считать, что: 1. Процесс пузыреобразования протекает в открытом сосуде на горизонтальной твердой поверхности или на поверхности расплава. 2. Упругость пара рп(Т) жидкости или расплава условно принимается равной нулю при температуре затвердевания (замерзания) жидкости. 3. В начальный момент времени сосуд содержит только воздух при давлении р. 4. Пар будем считать идеальным газом. 5. Термодинамическая система, в которой происходит процесс пузыреобразования, является многослойной (рис. 10). 6. Плотность расплава р р больше плотности р кипящей жидкости, температура кипения расплава Tsp значительно больше температуры кипения Ts жидкости. Расплав и кипящая жидкость рассматриваются как несмешивающиеся жидкости.
Из физики кипения жидкостей хорошо известно [2,57], что места предпочтительного зарождения и роста пузырей принято называть центрами кипения, которые условно можно разделить на два вида [8]: макроскопические и микроскопические.
Макроскопические центры кипения представляют собой различные дефекты (поры, углубления, трещины, совокупности достаточно большого количества дислокаций), которые всегда имеются на реальной твердой поверхности нагрева.
Известно [128], что если внутри этих дефектов сохраняется хотя бы незначительное количество какого-либо газа, то они являются потенциальными центрами кипения.
При определенном значении температурного напора AT = Ta)s эти потенциальные центры кипения становятся действующими.
К микроскопическим центрам кипения преимущественно относятся центры кипения флуктуационной природы (ядра вскипания, слабые места, популяционный всплеск) [57].
При кипении жидкости на твердой поверхности нагрева в первую очередь включаются в работу достаточно крупные макроскопические центры кипения, к которым, по мере увеличения температурного напора, присоединяются более мелкие макроскопические центры. Тем самым обеспечивается эффективная работа ядерного режима кипения жидкости. Включение в работу микроскопических центров приводит к началу переходного режима кипения, а в конечном итоге - к режиму пленочного кипения.
Анализ процесса пузыреобразования на твердой поверхности нагрева, проведенный при указанных начальных условиях, показывает [8,57], что в механизме действия центров кипения необходимо учитывать протекающие в системе молекулярно-кинетические процессы: «быстрые» - испарение жидкости и конденсация пара и «медленные» - растворение газа (воздуха) в жидкой среде и диффузия молекул газа из жидкости, которые характеризуются временем релаксации г, и г2(г,«г2). При этом, в зависимости от значения температуры Т жидкости относительно температуры Ts ее кипения, выделяют следующие три случая: 1. «Холодная» жидкость - упругость пара рп (т)« 0. 2. Недогретая жидкость - Т Т5, 0 рп (Т) , рв. 3. Перегретая жидкость - Т Ts, рп (Т) рв. В холодной жидкости, при 0 —, как показывает анализ [7] жидкость будет проникать в полость цилиндрической поры со скоростью „__2СИв_ ( } cXpfR где а - коэффициент поверхностного натяжения, 0 - краевой угол, С0 -размерный коэффициент, hn - глубина поры, R - радиус поры. Как следует из уравнения (2.9), пора заполняется тем быстрее, чем она уже и меньше 0. Время жизни поры как потенциального центра кипения зависит от радиуса поры и величины краевого угла. О поре, как о стабильном потенциальном центре можно говорить только в том случае, когда 0 - —, так как в этом случае время жизни центра г -» ад. При краевых углах 0 —, как это следует из условия: PB=PB- coSe + pgh (2.10), л можно выделить центр с радиусом ;= cos05 (2л0а) для которого Рв=рв, т.е. жидкость вытеснена из поры и газовый пузырек является равновесным по отношению к быстрым и медленным процессам (следовательно г- оо). В поры, радиус которых R R{, проникновение жидкости исключено - это стабильные потенциальные центры. Из поры с радиусом R /?, газ испаряется в жидкость, причем тем быстрее, чем шире пора. Поскольку в реальных условиях краевые углы с 0 — маловероятны, то и роль трансляции газа центрами R і?, к зеркалу кипящей жидкости невелика
Теоретический анализ производительности пара на границе раздела двух жидких фаз
Исследование процесса пузыреобразования и основных характеристик кипения жидкости на поверхности расплава проводилось в условиях естественной конвекции при атмосферном давлении.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 11.
Установка состояла из кварцевого сосуда 1 , нижняя часть которого заполнялась расплавом (сплав Вуда). В верхней части сосуда находилась исследуемая жидкость (вода). Сосуд помещался в металлический кожух 2. Теплоизоляцию обеспечивал слой асбеста 3. Нижняя часть кварцевой трубки обогревалась электрическими спиралями 4, на которые подавалось регулируемое напряжение с помощью ЛАТРа 5, что позволяло получать различные значения температурного напора. Величина тока измерялась с помощью амперметра 6, величина напряжения - вольтметром 7. Видеосъемка проводилась при помощи видеокамеры 8. Эталоном размера служила проволочка 9. Температура поверхности расплава измерялась при помощи медно-константановой термопары 10 и мультиметра (С 1-107) 11.
Эксперимент показал, что при наличии минимального температурного напора в системе расплав - жидкость начинается дегазация. В расплаве она осуществляется путем образования газовых полостей в кольцевом зазоре между расплавом и стенками сосуда.
При повышении температурного напора вся поверхность расплава покрывается множеством пузырьков (рис. 12 а).
Далее, с увеличением температуры поверхности расплава, его поверхность очищается от паровых пузырей и начинается процесс всплывания паровых полостей. Образование этих полостей связано, по-видимому, с наличием в толще расплава пузырьков воздуха.
Наконец, при достаточно высоких температурных напорах, начинается процесс пузырькового кипения жидкости на поверхности расплава. Для системы расплав Вуда - вода началу пузырькового кипения соответствует температурный напор AT = 4 С (рис. 12 6).
В случае небольших перегревов жидкости (4 ЛТ 6С) в некоторых точках поверхности расплава образуются пузырьки, растут, принимая грибообразную форму, отрываются и всплывают. Поскольку их развитие сопровождается постоянными волновыми возмущениями поверхности расплава, то пузырьки за время Tj ( время от зарождения пузырька до его отрыва) перемещаются на расстояния, в несколько раз превышающие их отрывной диаметр D0.
С повышением температурного напора значительно увеличивается частота отрыва пузырьков f и начинается бурное кипение (рис.12 в), сопровождающееся не только интенсивным волновым процессом на поверхности расплава, но и распылением верхнего слоя расплава.
При охлаждении системы, она проходит все описанные выше состояния в обратном порядке, исключая дегазацию жидкости.
Данный процесс повторялся неоднократно, как в прямом, так и в обратном направлении и проходил всегда одинаково. Определение отрывного диаметра паровых пузырей проводилось по методике, описанной в [125 ]. В таблице 1 Приложения даны усредненные результаты (D0) для различных значений температурного напора ДТ. Для выявления характера зависимости этих характеристик от температурного напора использовались их средние (по нескольким центрам кипения) значения. Необходимость исследовать именно средние значения связана со следующим:
Во-первых, при кипении на реальных поверхностях нагрева в значительной мере проявляются коллективные эффекты, вызванные взаимодействием паровых пузырей между собой. Поэтому значения внутренних характеристик кипения и закономерности для них отличаются от полученных на одиночных центрах кипения [1].
Во-вторых, процесс пузырькового кипения на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей сопровождается волновыми процессами на поверхности более плотной жидкости, а следовательно, центры парообразования постоянно перемещаются по поверхности нагрева.
Как уже указывалось, процесс зарождения паровой фазы происходит в промежуточном слое раствора, в котором растворенным является вещество с меньшей плотностью и более низкой температурой кипения, а растворителем — с большей плотностью и с более высокой температурой кипения. В растворе образуются группировки однородных молекул растворителя, которые при определенном температурном напоре и являются центрами кипения. В случае гидрофильной поверхности более плотной фазы рост паровых пузырей будет происходить как на твердой поверхности, следовательно, в рассматриваемом случае можно полагать, что величина отрывного диаметра парового пузырька будет определятся а г (2. 13) где а - капиллярная постоянная, г - радиус центра кипения (группировки молекул растворителя).
