CC BY
18
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070
УДК 536.248
В.Е. Жуков
К.т.н., с.н.с.
М.И. Моисеев
Инженер
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук г. Новосибирск, Российская Федерация
ДИНАМИКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ САМОПОДДЕРЖИВАЮЩЕГОСЯ ФРОНТА
ИСПАРЕНИЯ В СМЕСИ ФРЕОНОВ
Аннотация
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований динамики распространения самоподдерживающегося фронта испарения при нестационарном тепловыделении. Эксперименты проведены в условиях большого объема при температуре насыщения жидкости на фреонах R21, R114 и смесях фреонов R21 - R114 на горизонтальной цилиндрической теплоотдающей поверхности диаметром 3 мм при нестационарном тепловыделении.
Ключевые слова
Фронт испарения, кипение, нестационарное тепловыделение, смеси фреонов, гидродинамическая
устойчивость.
Нестационарное тепловыделение на локальном участке теплообменника может вызвать значительный перегрев соприкасающегося с нагретой стенкой жидкого теплоносителя и привести к образованию и распространению паровой пленки. Данный эффект может проявляться как в системах пленочного и капельного орошения [1-3], так и в условиях большого объема [4]. Существует ряд моделей, описывающих распространение невозмущенного самоподдерживающегося фронта испарения [5, 6], а также отдельные попытки моделирования динамики фронта с учетом мелкомасштабных возмущений межфазной поверхности в условиях интенсивного испарения [7]. В последние годы наблюдается тенденция использования смесей вместо однокомпонентной жидкости в качестве рабочего тела в холодильных машинах, тепловых насосах и термотрансформаторах. В работах [8, 9] рассмотрены озонобезопасные неазеотропные смесевые хладагенты К32/Ш34а и К32/Ш52а, исследован теплообмен при кипении в горизонтальных трубах.
Цель данной работы - экспериментальное изучение динамики фронта испарения и развития гидродинамической неустойчивости возмущений гладкой межфазной поверхности во фреонах R21, R114 и смесях фреонов R21 - R114.
Экспериментальная установка представляет собой цилиндрический сосуд диаметром и высотой 250 мм со встроенными окнами для визуализации процессов. В качестве рабочей жидкости использовались смеси фреонов R114 и R21, находящиеся на линии насыщения при давлении 0.27 - 0.28 МПа. В экспериментах использовался горизонтально ориентированный цилиндрический рабочий участок, изготовленный из трубки диаметром 3 мм с толщиной стенки 0.5 мм, Материал - нержавеющая сталь. Шероховатость участка диаметром 3 мм представляла собой разнонаправленные риски шириной не более 10 мкм и отдельные сглаженные каверны диаметром 30-50 мкм. Для наблюдения динамики фронта испарения использовалась высокоскоростная видеокамера. Скорость съёмки составляла 25000 кадров в секунду с экспозицией 25 мкс. Нагрев теплоотдающей поверхности производился прямоугольным импульсом тока заданной длительности и амплитуды. Для освещения объекта в проходящем и в отраженном свете использовались светодиодные сборки со световым потоком 9000 лм, момент включения которых был синхронизован с моментом начала тепловыделения. Подробное описание установки и экспериментальной методики приведено в работе [10].
Рисунок 1 - Зависимость скорости фронта испарения УЬ от температурного напора ДТ для смесей с различной молярной концентрацией R114. 1 - С = 0.0, Р = 0.267 МПа; 2 - С = 0.1, Р = 0.27 МПа; 3 - С = 0.2, Р = 0.27 МПа; 4 - С = 0.35, Р = 0.27 МПа; 5 - С = 0.62, Р = 0.28 МПа; 6 - С = 1.0, Р = 0.28 МПа.
На рис. 1 приведены полученные в экспериментах зависимости скорости фронта испарения УЬ от температурного напора по отношению к температуре насыщения ДТ для разных молярных концентраций С легколетучего компонента R114. Как видно из диаграммы, зависимость У&(ДТ) имеет две характерные области - область более слабой зависимости (область 1) и область более сильной зависимости (область 2). В работах [7, 10, 11] наличие области 2 связывается с развитием гидродинамической неустойчивости Ландау [12]. Для всех проведенных серий экспериментов в области 1 не наблюдается существенного различия в скорости распространения фронта. В области 2 экспериментальные данные расслаиваются в зависимости от концентрации компонента R114 в смеси. При одних и тех же значениях температурного напора ДТ, скорость распространения фронта испарения больше в смеси с большей концентрацией компонента R114, а для чистого фреона R114, скорость фронта максимальна.
Рисунок 2 - Зависимость ДТо от молярной концентрации легколетучего компонента R114 в смеси.
Р = 0.27 МПа.
Температурный напор по отношению к температуре насыщения (ДТо) при котором происходит инициация фронта испарения для смесей с различной концентрацией, оказался различным. На рис. 2
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070
приведена зависимость ATo от молярной концентрации легколетучего компонента R114 в смеси. Как видно из диаграммы, зависимость имеет немонотонный характер с минимальными значениями ATo при концентрациях C = 0.35 - 0.62.
На рис. 3 приведена зависимость равновесной температуры жидкости и пара для бинарной смеси R114 - R21 в зависимости от молярной концентрации легколетучего компонента R114 в смеси.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Молярная концентр ация смеси
0.9
О
О □
д
X
ж
■Жидкость Пар C = 0 C = 0.1 C = 0.2 C = 0.35 C = 0.62 C = 1
0
1
Рисунок 3 - Зависимость равновесной температуры жидкости и пара от молярной концентрации R114 в
бинарной смеси R114 - R21. P = 0.27 МПа.
Как видно из диаграммы, часть экспериментов проведены при условии равенства равновесных температур жидкости и пара (C = 0.0; 0.62; 1.0), а часть в условиях существенного различия равновесных температур жидкости и пара. Также на диаграмме видно, что при концентрации C = 0.62 (так называемая точка азеотропы) равновесная температура смеси имеет минимальное значение. Сравнивая рис. 2 и рис. 3, видим, что при концентрации, соответствующей точке азеотропы, инициация фронта испарения происходит при минимальных перегревах стенки относительно температуры насыщения.
Проведенные эксперименты на смеси фреонов R114 и R21 в диапазоне концентраций по легколетучему компоненту 0 < C < 1 показали, что в области температурных напоров, соответствующих потере гидродинамической устойчивости межфазной поверхности фронта испарения, большему содержанию легколетучего компонента R114 соответствует более высокая скорость фронта испарения. Температурный напор, соответствующий инициации фронта испарения имеет минимальное значение при концентрации смеси, соответствующей точке азеотропы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Фундаментальных Исследований СО РАН (проект № Ф3 Ш.18.2.3).
Список использованной литературы:
1. Surtaev A., Pavlenko A. Observation of boiling heat transfer and crisis phenomena in falling water film at transient heating // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, Vol. 74, P. 342-352
2. Nakoryakov V.E., Misyura S.Y., Elistratov S.L. Boiling crisis in droplets of ethanol water solution on the heating surface // Journal of Engineering Thermophysics, 2013, Vol. 22, No. 1, P. 1-7.
3. Misyura S.Ya. Nucleate boiling in bidistillate droplets // International Journal Heat Mass Transfer, 2014, Vol. 71, P. 197-205.
4. Avksentyuk B.P. Non-equilibrium model of an evaporation front // Russian Journal of Engineering Thermophysics, 1995, Vol. 5, P. 1-8.
5. Aktershev S.P., Ovchinnikov V.V. Model of stationary motion of multiphase surface in the layer of extremely heated liquid, // J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2008, Vol. 49, No. 2, P. 47-55.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №11-2/2016 ISSN 2410-6070
6. Pavlov P.A., Vinogradov V.E. Dinamics of vapor film formation upon rapid superheating of liquid // High Temperature, 2010, Vol. 48, No. 5, P. 683-690.
7. Pavlenko A.N., Lel V.V. Approximate simulation model of a self-sustaining evaporating front // Thermophysics and Aeromechanics, 1999, Vol. 6, No. 1, P. 105-117.
8. Мезенцева Н.Н. Эффективность работы парокомпрессионных тепловых насосов на неазеотропных смесевых хладагентах // Теплофизика и Аэромеханика, 2011, Т. 18, № 2. С. 335-342.
9. Mezentseva N.N., Mezentsev I.V., Meleshkin A.V. Nucleate boiling at the forced flow of binary non-azeotropic mixtures in horizontal tubes // MATEC Web of Conferences, 2015, Vol. 23, 01027.
10.Pavlenko A.N., Tairov E.A., Zhukov V.E., Levin A.A., Tsoi. A.N. Investigation of transient processes at liquid boiling under nonstationary heat generation conditions // Journal of Engineering Thermophysics, 2011, Vol. 20, No. 4, P. 380-406.
11.Жуков В.Е., Кузнецов Д.В., Моисеев М.И. Экспериментальное исследование динамики распространения фронта испарения // Инновационная наука, 2016, часть 3, № 2, С. 76-79.
12.Ландау Л.Д. К теории медленного горения // ЖЭТФ, 1944, Т. 14, № 6, С. 240-245.
© Жуков В.Е., Моисеев М.И., 2016
УКД 62-5
М. А. Карпов
Студент 1 курса конструкторско-механического факультета Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана. Калужский филиал
Научный руководитель Б. П. Садковский
д.т.н., проф.
Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана.
Калужский филиал г. Калуга, Российская Федерация
ОБЗОР БЕСПИЛОТНОГО АВТОМОБИЛЯ
Беспилотный автомобиль разрабатывается достаточно долго. Разработка беспилотных автомобилей началась более 30 лет назад. Первые серьезные испытания прошли еще в 1980-х годах в Германии. Военные специалисты из Мюнхенского университета бундесвера опробовали микроавтобус Mercedes - Benz, оснащенный роботизированной системой управления, основанной на видео датчиках. Автомобилю удалось разогнаться до 100 километров в час, однако испытания проходили на пустых улицах — по сути, в далеких от реальности условиях. Кроме того, это не совсем беспилотный автомобиль. Им все же управляет человек, хотя и удаленно.
В 2004 году зарубежное агентство учредило ежегодные соревнования. Целью этих соревнований является создание полностью автономных транспортных средств. Первый турнир прошел 13 марта 2004 года. Уйти со старта удалось только 8 машинам из 15. Двум машинам удалось преодолеть 11 км из 230 км трассы.
Разработкой беспилотных автомобилей занимаются и другие автопроизводители. В России разработкой беспилотных автомобилей занимаются LADA, КамаЗ, ГАЗ.
Развитие беспилотного автотранспорта для общества - должно быть приоритетной задачей для человечества.
Создание Беспилотного автотранспорта в потребительской сфере:
-Исключит злоупотребление скоростью.
