Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Динамика и разрыв стекающих пленок жидкости (обзор литературы).
1.1 Динамика пленки жидкости, стекающей под действием гравитации 6
1.2 Термокапиллярные явления в тонких слоях жидкости 14
1.3 Разрыв стекающих пленок жидкости в изотермических условиях 18
1.4 Разрыв стекающих пленок жидкости в неизотермических условиях 26
1.5 Выводы. Постановка задач исследования 39
ГЛАВА 2. Экспериментальное оборудование и методика исследований .
2.1. Экспериментальный стенд и рабочие участки 41
2.2. Методика экспериментов 47
2.3. Волоконно-оптический датчик для измерения толщины стекающей пленки жидкости 55
ГЛАВА 3. Термокапиллярные деформации предшествующие разрыву пленки жидкости .
3.1 Измерение термокапиллярных деформаций в пленке жидкости при ее локальном нагреве 65
3.2. Исследование волнового течения пленки жидкости в неизотермических условиях 68
3.3. Эволюция регулярных структур, предшествующих разрыву пленки, стекающей по вертикальной и слабонаклоненной поверхности с локальным источником тепла 76
ГЛАВА 4. Разрыв стекающей пленки жидкости на нагревателях различного размера .
4.1 Разрыв пленки жидкости, стекающей по вертикальной пластине с нагревателем 150x150 мм 85
4.2 Разрыв пленки MD-3F стекающей по наклонной пластине с локальными нагревателями длиной вдоль потока 2и4 93
4.3 Обобщение данных по разрыву пленки на различных нагревателях и анализ...97
Выводы 105
Список основных обозначений 106
Литература 109
- Разрыв стекающих пленок жидкости в изотермических условиях
- Волоконно-оптический датчик для измерения толщины стекающей пленки жидкости
- Эволюция регулярных структур, предшествующих разрыву пленки, стекающей по вертикальной и слабонаклоненной поверхности с локальным источником тепла
- Разрыв пленки MD-3F стекающей по наклонной пластине с локальными нагревателями длиной вдоль потока 2и4
Введение к работе
Актуальность работы. Процессы в пленках жидкости широко используются в различных технологических системах, так как обеспечивают высокую интенсивность тепло-массопереноса и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости. Перспективными являются пленочные системы охлаждения электронных компонентов. Тонкие пленки жидкости могут также возникать при движении двухфазных потоков в каналах испарительно-конденсационных систем. Снижение толщины стекающего слоя жидкости позволяет интенсифицировать процесс тепло- и массообмена, однако тонкие пленки подвержены разрывам. Свободные от жидкости участки поверхности практически исключаются из процесса тепло-массообмена, что резко снижает эффективность аппаратов и может привести к выводу их из строя. Пленки широко используются в испарителях низкого давления пищевой промышленности. При испарении стекающих пленок происходит концентрирование сока, молока, сахарного сиропа. В этом случае разрыв пленок приводит к ухудшению качества продукта. Поэтому исследование условий, при которых происходит разрыв стекающих пленок жидкости, является весьма актуальной задачей, представляющей также и фундаментальный интерес, так как механизм разрыва остается до конца не выясненным [Bankoff 1994].
Для гравитационно стекающей пленки жидкости обычно различают четыре вида разрушения: разрыв пленки в изотермических условиях, разрыв под действием эффекта Марангони (за счет действия термокапиллярных или капиллярно-концентрационных сил), утончение и разрыв испаряющейся пленки (высыхание), и оттеснение жидкости от поверхности нагрева при наступлении кризиса кипения. Для практических приложений большой интерес представляет разрыв недогретой пленки жидкости под действием термокапиллярных сил. Подавляющая часть экспериментальных исследований по термокапиллярному разрыву пленки жидкости выполнена на нагреваемых трубах длиной 0,5-2 м. В [Кабов 2000] исследовался разрыв пленки жидкости на локальном нагревателе 6,5x13 мм. Тепловой поток для разрыва пленки на локальном нагревателе оказался более чем на порядок выше теплового потока для разрыва на трубах. В литературе отсутствуют данные по разрыву пленки на нагревателях, занимающих промежуточное положение между локальными нагревателями и трубами. Характер и механизм влияния размера нагревателя на разрыв пленки не выяснен.
Целью работы является: получение новых экспериментальных данных и установление основных закономерностей по динамике и разрушению стекающей под действием гравитации пленки жидкости при ее неоднородном нагреве со стороны подложки; в частности, исследование влияния размера нагревателя, гидродинамического волнообразования и равновесного краевого угла смачивания на термокапиллярный разрыв пленки.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что автором впервые:
В широком диапазоне физических параметров (расход жидкости, тепловой поток, начальная температура пленки, свойства жидкости, размер нагревателя, расстояние от распределительного устройства, угол наклона пластины) проведено систематическое экспериментальное исследование разрыва пленки жидкости на локальных нагревателях и на нагревателе средних размеров.
Дано качественное объяснение характера зависимости критического теплового
потока от размера нагревателя и режима течения. Экспериментальные данные по
ь термокапиллярному разрыву пленки в диапазоне чисел Рейнольдса 0,3-1500 и
размера нагревателя 2,2-2200 мм обобщены единой степенной зависимостью.
Установлено, что формирование струйного течения определяет разрыв
. стекающей пленки жидкости не только на локальных нагревателях, но и на
нагревателе средних размеров, как в ламинарной, так и в ламинарно-волновой области. Струи ограничивают распространение сухих пятен по нагревателю в поперечном направлении, способствуя более равномерному смачиванию поверхности нагрева жидкостью и, как следствие, затягиванию кризиса теплообмена.
Показано, что расстояние между соплом и нагревателем, определяющее волновую структуру течения в области нагревателя, не оказывает заметного влияния на критический тепловой поток для разрыва пленки. Дано качественное объяснение данному факту с использованием локальных измерений толщины пленки в межструйной области.
Обнаружено, что равновесный краевой угол смачивания в диапазоне 11,3-49,1 не оказывает заметного влияния на термокапиллярный разрыв пленки жидкости.
Произведена адаптация волоконно-оптической методики измерения толщины пленки для проведения измерений в области нагревателя. Установлено,
f что под действием термокапиллярных сил пленка утончается до определенной
толщины, после чего внезапно разрывается. Обнаружено, что для нагреваемой волновой пленки жидкости снижение амплитуды волн между струями связано с уменьшением локального числа Рейнольдса и качественно соответствует законам
« «холодной» гидродинамики.
Достоверность полученных данных подтверждена оценкой величины ошибок измерений, постановкой специальных тестовых экспериментов, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов, а также использованием специально разработанных методик экспериментов.
Практическая ценность. Полученные результаты и обобщающие расчетные соотношения позволяют осуществлять научно обоснованный выбор оптимальных размеров и параметров работы различных аппаратов, характеризующихся развитием сухих пятен. Обнаруженные струйные режимы
! течения могут быть использованы для предотвращения перегрева и разрушения
теплоотдающей поверхности в режимах с образованием сухих пятен.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались автором на: VI и VII Всероссийской конференции молодых ученых "Современные вопросы теплофизики и физической гидродинамики", Новосибирск, 2000, 2002
) (дипломы III и I степени соответственно); Конкурсе лучших работ молодых ученых
ИТ СО РАН, Новосибирск, 2001, 2003 (диплом III степени); Семинаре ИТ СО РАН под руководством чл.-корр. РАН СВ. Алексеенко, Новосибирск, 2001, 2003; Конференции молодых ученых, посвященной М.А. Лаврентьеву, Новосибирск,
, 2001; Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, Москва,
2002 (лучший стендовый доклад); XIV международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", Рыбинск, 2003 (лучший доклад); 1-ой научной школе-
конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Алушта, Украина, 2003. Кроме того, результаты, изложенные в диссертации, докладывались соавторами работ на различных международных и российских конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации в отечественной и зарубежной печати опубликовано 18 печатных работ.
Личное участие автора. Данная работа выполнена в 1998-2003 гг. в Лаборатории интенсификации процессов теплообмена (заведующий д.ф.-м.н. О.А. Кабов) Института теплофизики СО РАН. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом совместно с О.А. Кабовым. Подготовка рабочих участков, проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных и их анализ, а также подготовка публикаций по результатам исследований были проведены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Часть опытных данных были получены совместно с к.ф.-м.н. Е.А. Чинновым и к.ф.-м.н. И.В. Марчуком. Представление совместных результатов согласовано с соавторами. Автором произведена адаптация волоконно-оптической методики измерения толщины пленки для проведения измерений в области нагревателя.
Автор выражает глубокую признательность к.ф.-м.н. А.Р. Евсееву и к.т.н. Н.С. Буфетову за сотрудничество.
Разрыв стекающих пленок жидкости в изотермических условиях
Экспериментальные данные по изотермическому разрыву пленки и их сравнение с теоретическими моделями. Экспериментальные данные по разрыву пленки в изотермических условиях крайне ограничены. В работе [Ponter et al. 1967а] были измерены критические расходы, при которых формируется сухое пятно, при течении воды по вертикальным трубам, сделанных из меди, нержавеющей стали и материала "Perspex" (дина труб 1=0,3 и 1,2 м, 7Л=20-50С). Посредством фотографирования были измерены соответствующие равновесные краевые углы смачивания. В работе [Munakata et al. 1975] измерены критические расходы для образования сухого пятна, а также расходы, необходимым для смывания уже существующего сухого пятна, при течении воды и растворов глицерина в воде по стеклянным и стальным трубам (1=0,15 м, 7=25С). Равновесные и натекающие краевые углы смачивания для данных жидкостей и материалов измерены в [Ponter et al. 1972]. На рис. 1.3.4. представлено сравнение указанных экспериментальных данных с имеющимися теоретическими моделями. Данные [Munakata et al. 1975] по расходам, необходимым для смывания сухого пятна, представлены с использованием не равновесного, а натекающего краевого
Экспериментальные данные по изотермическому разрыву пленки и их сравнение с теоретическими моделями. [Ponter et al. 1967а], 7=20-50С, образование пятна, Д : 1- вода - нержавеющая сталь (1=0,3 м); 2- вода - "Perspex" (1,=0,3 и 1,2 м); 3- вода - медь (1=1,2 м); 4- вода - медь (Z=0,3 м). [Munakata et al 1975], Г=25С, 1,=0,15 м: 5- 10,34% раствор глицерина в воде - стекло (образование пятна, /Зо); 6- вода - стекло (образование пятна, /?0); 7- вода - стекло (смывание пятна, Д,); 8- вода - нержавеющая сталь (смывание пятна, Д,); 9- 54,33% раствор глицерина в воде - стекло (смывание пятна, Д,); 10- 43,40% раствор глицерина в воде - стекло (смывание пятна, Д,). 11- (1.3.3), силовой критерий [Hartley and Murgatroyd 1964]; 12- [Hobler 1964]; 13- [El-Genk and Saber 2001]; 14- [Mikielevich andMoszynski 1976]; 15- [Doniec 1986]. угла Д,, поскольку, как указано в [Ponter and Aswald 1977], при смывании пятна в критической точке (рис. 1.3.1) реализуется краевой угол, близкий к натекающему краевому углу. Из рис. 1.3.4 видно, что, не смотря на достаточно большой разброс экспериментальных данных, наблюдается тенденция уменьшения критических расходов при уменьшении краевого угла смачивания (как и предсказывается всеми моделями). Наибольшее согласие с экспериментальными данными имеет модель [El-Genk and Saber 2001].
Краевой угол смачивания. Разброс экспериментальных точек на рис. 1.3.4. обусловлен ошибкой в определении, как критического расхода жидкости, так и краевого угла смачивания. Известно, что краевой угол в большой степени зависит от чистоты, шероховатости и метода обработки поверхности. Поэтому в литературе зачастую приводятся самые разнообразные значения краевого угла для одной и той же системы. Согласно [Адамсон 1979], увеличение шероховатости при Д 90 приводит к уменьшению Д а при Д 90 - к увеличению Д тогда как в [El-Genk and Saber 2001] приводятся экспериментальные данные, согласно которым при р 90 зависимость /? от шероховатости является немонотонной.
Согласно [Адамсон 1979], загрязнение жидкости и твердого тела, а также шероховатость поверхности являются основными причинами появления гистерезиса краевого угла (различие между натекающим краевым углом Д=1іти_ .0 Рій), и 0, и оттекающим pr=limu_+0 Д(и), и 0, [Silvi and Dussan 1985]). Так, например, для системы вода - нержавеющая сталь - насыщенный пар при 7Л=20 Д«71, а Д«38 [Степанов и др. 1972]. Согласно [Адамсон 1979] для ртути на стали разность между Д, и Д. может достигать 154. В зависимости от методики измерения краевого угла, его значение может варьироваться от Д, до Д. Как указывает [Адамсон 1979], тщательная очистка жидкости и твердого тела позволяет уменьшить гистерезис краевого угла. Если жидкость чистая, а твердое тело нерастворимо и имеет гладкую и чистую поверхность, то гистерезис краевого угла практически отсутствует.
Краевой угол зависит также от температуры. По данным [Адамсон 1979, Степанов и др. 1972, Ponter et al. 1967b, Bernardin et al. 1997] для большинства комбинаций жидкость - твердое тело - газ имеет место относительно слабая зависимость краевого угла от температуры dp/dT&-0,1 /К (в диапазоне 7 20-100С).
В работе [Ponter at el. 1967b] были выполнены измерения краевого угла в неизотермических условиях. Сразу же после помещения капли воды, имеющей начальную температуру 25С, на горизонтальную медную пластину, имеющую постоянную температуру 7V 25C, краевой угол был приблизительно равен краевому углу в изотермических условиях при 25С (Д»76). В процессе прогрева капли, краевой угол уменьшался, и через несколько минут принимал некоторое равновесное значение, приблизительно равное значению краевого угла в изотермических условиях при температуре Tw (для 7V=90C Д«67). В работе [El-Genk and Saber 2002] путем аналитического решения задачи найден профиль ривулета, стекающего по нагреваемой поверхности, и показано, что увеличение нагрева приводит к уменьшению краевого угла смачивания.
[Hirasawa and Hauptman 1986] выполнили измерения краевого угла на ривулете, стекающем при температуре насыщения по нагреваемой подложке. Ривулет образовывался между двумя сухими пятнами, возникающими в пленке фреона R-113, стекающей по нагреваемой пластине из стекла. Было обнаружено, что при увеличении плотности теплового потока от 4000 до 8000 Вт/м2 краевой угол увеличивался от 13 до 25. Эти данные согласуются с результатами теоретического исследования [Доманский и Соколов 1967], где показано, что если жидкость нагрета до Т$ и находится на подложке с температурой Tw Ts, то увеличение Tw приводит к росту р.
Таким образом, для недогретой жидкости, нагрев подложки приводит к уменьшается краевого угла смачивания, тогда как для жидкости, находящейся при температуре насыщения, нагрев подложки приводит к его увеличению.
Волоконно-оптический датчик для измерения толщины стекающей пленки жидкости
Экспериментальные исследования проведены при течении воды по вертикальной трубе высотой 1,5 м ()=24 мм), обогреваемой по всей длине. Измерения проводились на нижнем участке трубы длиной 30 см. Средняя плотность теплового потока определялась по нагреву жидкости (Т0= 18С, qw=0-2 Вт/см2). Число Рейнольдса варьировалось от 5 до 230. Разрыв пленки происходил в промежутках между проходящими волнами. Посредством инфракрасной термографии установлено, что перед и после гребня волны имеет место резкое изменение температуры поверхности жидкости. Появление разрыва объясняется действием эффекта Марангони, благодаря которому возникает движение жидкости из впадин на гребень волны (в направлении течения пленки). После прохождения гребня волны возникает область с повышенной температурой. Предполагается, что испарение воды в данной области ускоряет образование сухого пятна. Измерялись два характерных расхода жидкости - для появления первого сухого пятна (в некоторых случаях в силу волнового движения пятна исчезали) и для существования устойчивых пятен. Экспериментальные данные при qw A Вт/см2 удовлетворительно описывались соотношением qw ivcr » однако выполнялось условие MaCT=const«0,006, что существенно меньше, чем предсказывает зависимость (1.4.27). Результаты эксперимента и расчета удовлетворительно совпадают, если считать, что разрыв происходит при локальной толщине пленки в два раза меньшей, чем средняя толщина. Для 7w 0,3 Вт/см2 теоретически предсказанный закон не выполнялся, по-видимому, из-за существенного влияния поверхностного натяжения (первый член справа в уравнении (1.4.25) становился существенным).
Модель термокапиллярного разрыва пленки [Ito et al. 1995], согласно которой сила Марангони направлена вдоль течения пленки и перемещает жидкость из впадины на гребень волны, аналогична модели [Ганчев и Боков 1980], описанной выше. Напротив, в моделях [Hsu et al. 1963, Bohn and Davis 1993] предполагается, что сила Марангони направлена поперек течения пленки, формируя в пленке продольные деформации, с тонкой пленкой между ними. Именно последнее предположение подтверждается визуальными наблюдениями большинства исследователей [Norman and Mclntyre 1960, Hsu et al. 1963, Гогонин и др. 1977, Ganic and Roppo 1980, Дорохов 1992, Fujita and Ueda 1978, Bohn and Davis 1993], согласно которым разрыву пленки на трубах предшествует перераспределение жидкости по периметру трубы, сухие пятна образуются в местах утончения пленки. В работах [Norman and Mclntyre 1960, Bohn and Davis 1993] отмечается периодический характер распределения по периметру трубы утолщений и утончений пленки, а после разрыва - сухих пятен. В работе [Гимбутис 1988] на основе анализа баланса динамического напора стекающей пленки и термокапиллярной силы для описания данных по разрушению пленки предложена зависимость
Экспериментальные данные [Гогонин и др. 1977, Fujita and Ueda 1978, Ганчев и Боков 1980, Ganic and Roppo 1980] для волновой и турбулентной пленок воды были описаны зависимостями В экспериментах, данные которых были проанализированы, число Рейнольдса изменялось от 25 до 1500. Опыты были выполнены на вертикальных трубах высотой от 0,305 м до 2,2 м. Начальная температура пленки в опытах изменялась от 22С до 80С. Разброс данных составлял до 50% при минимальных Re и до 350% в турбулентном режиме течения.
Ганик и Роппо 1980] изучали теплообмен и разрушение пленки воды при течении по медному горизонтальному цилиндру диаметром 25,4 мм. Рабочий участок находился в воздушной среде. Определялись тепловые потоки qbd и q Пятна появлялись вначале на боковых участках трубы и образовывали с ростом теплового потока кольцевую сухую область. Для 15 Re 48 увеличение температуры натекающей пленки от 26,7С до 50С не оказывало влияния на разрыв пленки, а для 7 Re 15 увеличение Т0 в данном диапазоне приводило к увеличению критического теплового потока для разрыва пленки на 10-20%.
Разрыв тонкого горизонтального слоя жидкости исследовался в работах [Orell and Bankoff 1971, Антоненко 1989, Гогонин и др. 1989].
Разрыв пленки жидкости при локальном нагреве. [Hsu et al. 1963] исследовали разрыв пленки воды на локальном нагревателе (LxB) 6,5x38 мм (7 =8-60С, Re=21-225, 7=16-100 Вт/см2). Рабочий участок представлял собой вертикальную пластину. Нагреватель располагался на расстоянии 30 см от распределительного устройства. Для исключения волнообразования в области нагревателя, использовался специальный стабилизирующий экран, устанавливаемый на расстоянии 2,5 см выше по потоку от нагревателя. В процессе увеличения теплового потока на поверхности пленки наблюдались деформации. Разрыв пленки был зафиксирован только для относительно тонких пленок. Для расходов жидкости, при которых нагреватель располагался на участке тепловой стабилизации, пленка не разрывалась при повышении теплового потока вплоть до закипания жидкости.
В [Кабов 2000] исследовался разрыв пленки жидкости на нагревателе (LxB) 6,5x13 мм. В качестве рабочих жидкостей использовались вода, 25 % раствор этилового спирта в воде и диэлектрическая жидкость MD3-F (Re=0,l-55, 7V=17-30С). Исследования проводились при (9=90, а также при (9=4. Нагреватель располагался в области безволнового течения пленки. Было обнаружено, что на локальном нагревателе разрыву пленки предшествует формирование и эволюция регулярных структур (рис. 1.2.1). Сухие пятна образуются в области тонкой пленки между стекающими струями. Полученные данные по разрыву пленки были обобщены зависимостью Отмечается, что соотношение (1.4.31) обобщает данные, полученные для жидкостей, имеющих различные краевые углы смачивания, и при этом (1.4.31) не содержит этот параметр. Производится сравнение полученного обобщения (1.4.31) с обобщениями для труб (1.4.29) и (1.4.30), на основании чего делается вывод, что разрыв пленки на локальном нафевателе происходит при существенно больших тепловых потоках, чем на трубах. Для объяснения данного факта высказывается предположение, что гидродинамическое волнообразование, присутствующее на трубах, оказывает дополнительное дестабилизирующее влияние на течение пленки.
Сравнение данных по разрыву пленки на локальных нафевателях и на трубах. На рис. 1.4.3 представлены данные по разрыву пленки на локальных нафевателях [Hsu et al. 1963, Кабов 2000], а также на трубах /,=0,6-2,2 м [Гогонин и др. 1977, Fujita and Ueda 1978, Ганчев и Боков 1980]. Из рис. 1.4.3 видно, что на величину критической плотности теплового потока для разрыва пленки существенное влияние оказывает длина нагревателя. Для труб длиной 2,2 м значение Кр примерно в два раза ниже, чем для труб длиной 1 м и почти на два порядка ниже, чем для локальных нагревателей. Размер нагревателя влияет также и на показатель степени в зависимости Kp Re . Для локального нагревателя я=0,84, для труб в ламинарно-волновой области я=0,45 и 0,4 для L=2,2 и 1 м соответственно. Для труб, при переходе к турбулентному режиму течения, п заметно возрастает (л=2,32).
Эволюция регулярных структур, предшествующих разрыву пленки, стекающей по вертикальной и слабонаклоненной поверхности с локальным источником тепла
Поставленные задачи решались экспериментальными методами. Исследования проводились на экспериментальном: стенде «стекающая пленка». Основной частью стенда являлись сменные рабочие участки. Использовались 4 рабочих участка с нагревателями различных размеров. Участок №1 с нагревателем 150x150 мм был специально сконструирован и изготовлен для исследования гидродинамики и разрыва пленки жидкости на нагревателе «средних» размеров. Все остальные рабочие участки и сам экспериментальный стенд уже имелись к началу исследований. Описание стенда и рабочих участков приведено в [Кабов 1994, Кабов и др. 1996, Kabov et al. 1999b, Chinnov et al. 2001a, 2002a]
Экспериментальный стенд. Стенд представлял собой замкнутый циркуляционный контур (рис. 2.1.1). Рабочая жидкость с помощью насоса через фильтр и систему ротаметров подавалась в пленкоформирователь, который располагался в верхней части рабочего участка. Основой рабочего участка являлась несущая пластина, в которую заподлицо заделывался электрический нагреватель. Жидкость стекала по рабочему участку, накапливалась в приемнике жидкости и возвращалась в систему. Температура рабочей жидкости поддерживалась термостатом. Угол наклона пластины к горизонту мог изменяться в пределах от 0 до 90. Датчиками температуры служили термопары, сигнал с которых оцифровывался на плате «Thermolab» и поступал на персональный компьютер. Для визуализации процесса использовались цифровая видеокамера и инфракрасный сканнер «Сова-2» , сигнал с которых обрабатывался на персональном компьютере. В части опытов при помощи волоконно-оптического датчика измерялась толщина пленки жидкости. В экспериментах с легкокипящими жидкостями MD3-F и FC-72 на рабочий участок устанавливалась герметичная камера из органического стекла. В камеру помещался трубчатый теплообменник.
Рабочий участок № 1. Конструкция рабочего участка приведена на рис. 2.1.2. Несущая пластина была изготовлена из текстолита и имела размеры 650x340x60 мм. Внутри несущей пластины располагался стабилизатор температуры в виде системы каналов диаметром 10 мм, по которым прокачивалась рабочая жидкость, что позволяло поддерживать на поверхности несущей пластины температуру равную начальной температуре пленки. Течение жидкости по пластине ограничивалось по краям хорошо смачиваемыми стабилизаторами потока. Ширина Неподвижньш пленко формирователь потока жидкости составляла 225 мм. На рабочем участке №1 использовались два пленкоформирователя. Один из них (неподвижный) располагался в верхней части г несущей пластины на расстоянии "„=23 9 мм от верхней кромки нагревателя и имел специально изготовленное сопло с увеличенной величиной зазора по краям, формирующее более толстую пленку в области боковых кромок нагревателя. . Средняя величина зазора составляла 220 мкм. Второй пленкоформирователь мог перемещаться вдоль потока жидкости, при этом Х„ изменялось от 41,5 до 200 мм. На подвижном пленкоформирователе использовалась плоское сопло, создающее равномерный расход жидкости. Величина зазора равнялась 285 мкм. Подавляющая часть экспериментов на рабочем участке №1 была выполнена с использованием подвижного пленкоформирователя с плоским соплом. Конструкция нагревательного элемента рабочего участка №1, а также расположение термопар приведены на рис. 2.1.3. Основой нагревательного элемента служила плита из нержавеющей стали толщиной 6 мм и размером 150x150 мм. Тепловыделяющим элементом служила плоская спираль из стальной фольги толщиной 50 мкм. Поверхность нагревательного элемента вместе с текстолитовой пластиной тщательно шлифовались. В части экспериментов нагреватель покрывался специальной хорошо смачиваемой черной пастой толщиной несколько мкм, что позволяло варьировать краевой угол смачивания, а, кроме того, в экспериментах с волоконно-оптическим датчиком, это позволяло минимизировать отражение света от подложки. Температура натекающей пленки жидкости То измерялась термопарами, расположенными в накопительной камере пленкоформирователя. При помощи термопар контролировалась также температура поверхности пластины, окружающей нагреватель. В плиту из нержавеющей стали в нескольких точках по L центральной линии нагревателя были вмонтированы несколько пар термопар (см. рис. 2.1.3), что позволяло измерять в нескольких точках локальный тепловой поток. Использовались хромель-копеливые термопары из проводов 200 мкм. Принимались специальные меры, чтобы максимально уменьшить растечки тепла от нагревателя в текстолитовую пластину. Полость вокруг нагревателя шириной 2 мм была заполнена смесью эпоксидной смолы и древесного угля (теплопроводность соответственно 0,17 и 0,074 Вт/мК) с равными объемными содержаниями. Теплопроводность смеси была на два порядка ниже, чем теплопроводность нержавеющей стали. Рабочий участок № 2. Основой рабочего участка являлась несущая пластина из нержавеющей стали размерами 250x250x25 мм (рис. 2.1.4). Пленкоформирователь имел плоскую щель высотой 200 мкм. К несущей пластине с обратной стороны был прикреплен стабилизатор температуры, в качестве которого использовалась текстолитовая пластина размерами 282x250x68 мм. На ее внутренней стороне, обращенной к несущей пластине, были выфрезерованы каналы для протока жидкости. Рабочая поверхность несущей пластины увеличивалась за счет присоединения стекателя из текстолита длиной 200 мм, что исключало влияние нижней кромки несущей пластины на течение пленки. Вся поверхность, где происходило течение пленки, была отполирована.
Разрыв пленки MD-3F стекающей по наклонной пластине с локальными нагревателями длиной вдоль потока 2и4
В Институте теплофизики СО РАН к.ф.-м.н. А.Р. Евсеевым был разработан метод измерения толщины стекающей пленки жидкости при помощи волоконно-оптического датчика [Evseev 1997]. В настоящем исследовании данный метод был адаптирован для измерения толщины пленки, нагреваемой со стороны подложки [Zaitsev et al. 2003, Зайцев и др. 2004b]. В отличие от [Evseev 1997], датчик располагается со стороны свободной поверхности пленки, что позволяет производить измерения в области нагревателя, причем в нескольких точках. Экспериментальная установка. Схема установки представлена на рис. 2.3.1. Измерения толщины пленки проводились на рабочих участках №1 и №3. Датчик состоял из двух оптических волокон, встроенных в трубку из нержавеющей стали наружным диаметром 3,3 мм и длиной 165 мм. На расстоянии 70 мм от рабочей поверхности параллельно ей была жестко закреплена стальная пластина размерами 250x200x10 мм, имеющая прямоугольное отверстие размерами 70x70 мм над областью измерения. Трубка с датчиком крепилась на подвижной пластине из нержавеющей стали размерами 150x150x7 мм. Соприкасающиеся поверхности обеих пластин были тщательно отшлифованы. При перемещении датчика вдоль плоскости основной пластины его смещение в перпендикулярном направлении составляло не более 5 мкм. Для контроля перпендикулярности датчика относительно основной пластины использовалась видеокамера, что обеспечивало точность не хуже 0,5.
Зондирующий пучок света формировался галогенной лампой накаливания мощностью 100 Вт, подключенной к стабилизированному источнику питания. По зондирующему световоду пучок направлялся в сторону поверхности пленки. Отраженное от пленки излучение попадало в приемный световод и поступало на темростабилизированное фотоприемное устройство, состоящее из лавинного фотодиода и усилителя. После оцифровки с частотой 1000 Гц на плате "Thermo Lab" сигнал поступал на персональный компьютер.
Волоконно-оптический датчик. В данной работе использовался волоконно-оптический датчик отражательного типа, состоящий из двух градиентных многомодовых световодов с сердечником диаметром 100 мкм и оболочкой диаметром 200 мкм. Расстояние между центрами световодов было 250 мкм. На торце датчика была наклеена стеклянная пластина толщиной 1,2 мм, рис.2.3.2.
Принцип действия датчика заключается в следующем (рис. 2.3.2). Из зондирующего световода излучение выходит в виде конуса с полным углом при вершине 21. Часть зондирующего излучения отражается от поверхности жидкости и попадает в приемный световод (//). Это полезный сигнал, несущий информацию о расстоянии до пленки г. Для заданного г, // пропорционален интенсивности зондирующего излучения 10 и коэффициенту отражения от поверхности жидкости. Часть излучения отражается от торца датчика и также следует обратно (1е). Сигнал 1е пропорционален 10 и коэффициенту отражения от стеклянной пластины. Сигнал Іе в эксперименте играет роль опорного сигнала. Существует еще световой поток, отразившийся от поверхности подложки /,. Для того чтобы минимизировать /5, подложка в месте измерений покрывалась специальной черной пастой. Как показали измерения (см. ниже), не смотря на малую отражательную способность пасты, /, вносит заметный вклад в определяемую величину толщины пленки (особенно для тонких пленок), поэтому Is необходимо измерять и учитывать. Таким образом, суммарный световой поток, принимаемый датчиком
Зависимость г от // + 1е устанавливалась по результатам тарировки. Вклад /, определялся посредством измерения отражательной способности подложки в рабочей жидкости. Искомая толщина пленки находилась из выражения где г0 - расстояние от торца датчика до подложки. В эксперименте г0 составляло 0,4-1 мм и задавалось при помощи специальной калиброванной пластинки толщиной 1 мм или определялось посредством измерения г для пленки известной толщины, при этом размер светового пятна на поверхности пленки варьировался от 0,4 до 0,8 мм.
При измерениях толщины нагреваемой пленки жидкости, было обнаружено, что на торце датчика накапливается конденсат, появление которого проявлялось как внезапное падение измеряемого сигнала. Во избежание накопления конденсата, датчик нагревался. Для этого участок датчика длиной 2 см, отстоящий на расстоянии 5 мм от торца датчика, обматывался нихромовой нитью сопротивлением 3,8 Ом, рис. 2.3.2. Во всех экспериментах с включенным нагревателем, на нить подавался ток 0,3 А, что соответствовало температуре на торце датчика примерно равной 40С.
Тарировка датчика. Схема установки, на которой проводилась тарировка датчика, показана на рис. 2.3.3. Датчик устанавливается на расстоянии 1-2 мм от поверхности рабочей жидкости, налитой в кювету. Кювета была изготовлена из черного материала и была достаточно глубокой (35 мм), что позволяло пренебречь излучением, отраженным от дна кюветы. С помощью микровинта, имеющего разрешение 5 мкм, датчик приближался к поверхности жидкости с шагом около 50 мкм. На каждом шаге снимались показания микровинта и сигнал на выходе усилителя. Вблизи поверхности шаг перемещения датчика уменьшался до 5 мкм. Измерения проводились вплоть до касания датчиком поверхности рабочей жидкости. Это положение датчика принималось за г=0.
Результаты тарировки для 10% раствора спирта в воде представлены на рис. 2.3.4 (Г=20С). По оси абсцисс отложено расстояние от датчика до поверхности жидкости г, а по оси ординат отложено отношение U/Uao, где U- текущий сигнал на выходе усилителя, U„- сигнал на выходе усилителя при г- х , т.е. когда отсутствует отражающая поверхность. Тарировка производилась для разных значений тока на галогенной лампе, при этом /«,=5,5-7 В. На рис. 2.3.4 представлены данные, полученные как без подогрева датчика (5 серий измерений), так и с подогревом (1 серия). За исключением г 50 мкм, все полученные данные лежат в пределах ±7 мкм. Несколько меньшие значения U/U , при малых г в случае без подогрева датчика, объясняются, видимо, тем, что вблизи поверхности жидкости на торце датчика образовывается конденсат, который несколько снижает сигнал. Нагревание датчика позволяет от этого конденсата избавиться. Искомая зависимость г от и/и , находилась путем усреднения данных всех шести серий измерений.
