CC BY
49
УДК 536.248.2.001.24
ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГИИ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ И КИПЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
© 2008 г Е.В. Анохина
Ростовская-на-Дону государственная академия Rostov-on- Don State Academy
сельскохозяйственного машиностроения. of agricultural machine building.
344029, г. Ростов н/Д, пл. Страны Советов, 2 344029, Rostov-on- Don, Strani Sovetov Sq., 2
[email protected] [email protected]
Представлены результаты экспериментального исследования зависимости времени испарения жидкостей от температуры поверхности нагрева и зависимости тепловой нагрузки от температуры цилиндрического нагревателя при кипении для этанола, 5%-й водной смеси этанола и воды. Проведено сравнение процессов испарения капель этих жидкостей с кипением в большом объеме.
Ключевые слова: кипение, испарение, сравнение процессов испарения и кипения.
The dependence of time of evaporation of liquids from the heated surface temperature and the heat flux dependence from the heater temperature at boiling is experimentally investigated. Evaporation of a drop of ethanol, 5% water mixture of ethanol and water is compared with the pool boiling of these liquids.
Keywords: boiling, evaporation, comparison of the processes of evaporation and boiling.
Проблема наиболее эффективной организации отвода чрезвычайно мощных потоков тепла является одной из актуальных проблем энергетики. В некоторых технологических процессах (таких как термическая закалка, непрерывное литье, резанье металлов, при установке водяных завес в нагревательных печах) нагретый металл охлаждается жидкостью. Изучение процесса парообразования имеет большое значение для решения важной задачи по созданию высоконапряженных поверхностей нагрева.
В процессе кипения при больших тепловых нагрузках механизм парообразования коренным образом меняется, на поверхности нагрева возникает сплошной паровой слой, температура поверхности нагрева резко возрастает, начинают влиять факторы, несущественные при малых плотностях теплового потока.
При нанесении капли жидкости на поверхность сильно нагретого металла жидкость принимает форму сфероида. В таком сфероидальном состоянии капля существует некоторое время, причем она отделена от поверхности нагрева паровой оболочкой, которая дает возможность «сработать» силам поверхностного натяжения и образовать каплю. Это явление впервые было описано Лейденфростом [1] и нередко называется его именем. В переходном режиме от частичного растекания капли к сфероидальному виду происходит прерывистый контакт жидкости с поверхностью нагрева и интенсивное кипение капли. Данное явление аналогично кризису кипения в большом объеме жидкости [2]. Сфероидальное состояние капли наступает при температуре Лейденфроста Tл, которая близка к температуре предельного перегрева жидкости при данном давлении [3]. При этом контакт стенки с жидкостью становится невозможным. Понятие температуры Лейденфроста было введено в американской литературе [4].
Настоящая работа выполнялась с целью выявления сходства процессов испарения и кипения. Экспериментальные установки по исследованию испарения и кипения представлена в работе [5]. Нами было исследовано насыщенное и ненасыщенное кипение (температура ядра жидкости 22 оС). В ходе одного опыта при ненасыщенном кипении, когда тепловая нагрузка возрастала от начальной до критической ее величины, температура ядра жидкости изменялась в пределах 1-5 оС. Кипение воды происходило в большом объеме на цилиндрических нагревателях длиной 20 мм. Объем рабочего сосуда составлял 100 мл. Перед использованием нагревательного элемента он прокаливался на воздухе для его кондиционирования. Эта процедура улучшала повторяемость опытов. Нагрев твэла осуществлялся постоянным электрическим током. В качестве нагревателя служила медная проволока диаметром 65 мкм, а цилиндрический нагреватель - термометром сопротивления. За критическую тепловую нагрузку считался максимально возможный тепловой поток - поток, соответствующий пережогу цилиндрического нагревателя.
Эксперименты проводились с каплями этанола, воды и бинарными смесями воды с этанолом, которые испарялись на медной плите. Были проведены измерения времени полного испарения капли в зависимости от температуры поверхности нагрева - получены кривые испарения жидкостей. Результаты измерений представлены на рис. 1. Эти результаты аналогичны ранее наблюдаемым в работах [6, 7].
Кривые испарения имеют две характерных особенности - минимум и максимум. Минимум соответствует максимальной скорости испарения, а максимум - минимальной скорости испарения жидкости.
50 100 150 200 250 300 350 400
Т °С
б
200 250 в
350 400
т °с
Рис. 1. Кривые испарения для этанола (а), 5 %-й водной смеси этанола (б), воды (в) [8]
При температуре насыщения жидкости в растекшейся капле происходит пузырьковое кипение. При дальнейшем увеличении температуры поверхности нагрева кипение становится более интенсивным, время испарения воды уменьшается, и на кривой испарения наблюдается минимум. После этого минимума с ростом температуры нагревателя капля не будет больше растекаться по металлу, а собирается в сфероид, прерывисто контактирующий с греющей стенкой. При дальнейшем росте температуры поверхности нагрева частота контакта капли со стенкой будет уменьшаться, а время испарения - увеличиваться, что говорит о снижении интенсивности теплоотдачи от нагретого металла к сфероиду. При некоторой температуре (температура Лейденфроста) капля будет полностью отделена от стенки слоем пара. В температурном интервале между минимумом и максимумом на кривой испарения частота контактирования жидкости с поверхностью нагрева при росте температуры уменьшается. Время полного испарения растет, когда еще существует контакт жидкости и греющей стенки. Начиная с температуры Лейденфроста, сфероид прекращает прерывистый контакт с горячим металлом, и
образуется устойчивый паровой слой, который полностью отделяет жидкость от стенки. Далее с ростом температуры поверхности нагрева время испарения сфероида уменьшается.
На рис. 1 представлены зависимости времени полного испарения капель этанола (а), 5%-го водного раствора этанола (б) и воды (в) от температуры поверхности нагрева. Кривые испарения воды выполнены для двух серий опытов на медной плите, а данные для испарения воды на латунном нагревателе, взятые из [8], отмечены треугольниками. Для различных материалов нагревателей наблюдается некоторый разброс данных по температуре начала сфероидального состояния и температуре Лейденфроста.
Положение максимума времени испарения, которое соответствует устойчивому сфероидальному состоянию, очень близко к температуре предельного перегрева жидкостей Тд=201 оС (этанол) и Тд=270 оС (вода). Данные по максимальному перегреву большого числа жидкостей в открытых и-образных капиллярах при атмосферном давлении были взяты из [9]. Полученные экспериментальные результаты согласуются с идеей о термодинамической природе кризиса кипения при контакте жидкости с горячей поверхностью [6]. Она заключается в том, что контакт жидкости с нагретой поверхностью не может существовать при температурах поверхности нагрева, превышающих температуру предельного перегрева жидкости. При таких высоких температурах металл будет отделен от жидкости слоем пара.
В [5] была выдвинута гипотеза о том, что минимум на кривой испарения соответствует максимуму на кривой кипения. С целью проверки этой гипотезы нами были получены опытные данные по кипению этанола, 5%-й водной смеси этанола, воды. На рис. 2 представлены результаты экспериментального исследования зависимости тепловой нагрузки от температуры поверхности нагрева для указанных жидкостей.
Каждая кривая кипения при максимальной тепловой нагрузке заканчивалась так называемой точкой выгорания, т.е. происходил пережог медного цилиндрического нагревателя. Эту максимальную тепловую нагрузку мы принимаем за критическую тепловую нагрузку.
Сравнение результатов экспериментов по испарению и кипению, представленных на рис. 1 и 2, показывает, что для этанола интервал температур наибольшей скорости испарения составляет 118-123 оС, а для 5%-й водной смеси этанола - 117-133 оС. Из данных на рис. 1в видно, что диапазон температур, соответствующих максимальной скорости испарения, может изменяться в зависимости от вида материала поверхности нагрева. Так, для воды, испаряемой на медном нагревателе, этот интервал лежит в пределах 122-149 оС, а на латунном -138-159 оС. Данные по температурам, соответствующим критической тепловой нагрузке при насыщенном кипении трех жидкостей, представлены на рис. 2. Для этанола дкр будет достигнута при температуре 128 оС, для 5%-го водного раствора этанола - при 117 оС и для воды - при 148 оС.
Сравнение температуры, соответствующей интервалу наибыстрейшего испарения, и температуры при достижении максимальной тепловой нагрузки при
а
кипении дает возможность сделать заключение, что максимальная скорость испарения жидкостей соответствует критической тепловой нагрузке при насыщенном кипении жидкостей. Следует заметить, что qKр может быть достигнута при любой из температур в интервале наибольшей скорости испарения.
2500
500
У
Т„ н,°С
.кВт/м2
220 240
Т°С
Рис. 2. Кривые кипения этанола (а), 5%-й водной смеси этанола (б), воды (в). •-•-• - опытные данные
для насыщенного кипения; ♦-♦-♦ - для ненасыщенного кипения, недогрев жидкостей до температуры насыщения составляет 78 оС
Теперь сопоставим температуры Лейденфроста, отвечающие устойчивому сфероидальному состоянию, и критическую тепловую нагрузку при ненасыщенном кипении. Температура Лейденфроста Тл для этанола составила 178 оС, для 5%-й водной смеси этанола -39 оС. Величина Тл для одной и той же жидкости
может зависеть от материала поверхности нагрева. Для воды, испаряемой на медной поверхности нагрева, значение Тл=270 оС, на латунной - Тл =244 оС. Температура, при которой достигается максимальная тепловая нагрузка дкр при ненасыщенном кипении на медном нагревателе, для этанола имеет значение 368 оС, для 5%-й водной смеси - 239 оС и для воды - 292 оС. Из рис. 2 видно, что ненасыщенное кипение исследованных жидкостей происходит при значительно больших перегревах поверхности, чем при насыщенном кипении. Этот результат сходен с аналогичными данными по ненасыщенному кипению воды [10, 11]. С увеличением недогрева кривая кипения смещается в сторону более высоких перегревов поверхности и тепловых нагрузок. Это объясняется необходимостью более значительного перегрева пристенного слоя жидкости для активации центров парообразования при недогре-ве ядра жидкости до температуры насыщения.
В результате сравнения максимума на кривой испарения с величиной критической тепловой нагрузки при ненасыщенном кипении можно сделать вывод, что величина дкр достигается при температурах, соответствующих устойчивому сфероидальному состоянию жидкости, или очень близка к температуре Лейденфроста.
Литература
1. Leidenfrost J.G. A tract about some qualities of common water // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1966. Vol. 9. P. 11531160.
2. Кутателадзе С.С. Теплоотдача при конденсации и кипении. М., 1952.
3. Скрипов В.П. и др. Капля на горячей плите: появление 1/f шума при переходе к сфероидальной форме // Журн. техн. физики. 2003. Т. 73. Вып. 6. С. 21-23.
4. Делайе Дж., Гио М., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика в атомной и тепловой энергетике. М., 1984.
5. Анохина Е.В. Особенности кризиса кипения бинарных смесей жидкостей: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. Воронеж, 1999.
6. Скрипов В.П. Кризис кипения как термодинамический кризис // Тр. УПИ. Физика. Свердловск, 1962. Вып. 123. С. 50-57.
7. Плетнева Н.А., Ребиндер П.А. Закономерности испарения капель жидкостей в сфероидальном состоянии // Журн. физ. химии. 1946. Т. 20. Вып. 9. С. 961-972.
8. Боришанский В.М. Теплоотдача к жидкости, свободно растекающейся по поверхности, нагретой выше температуры кипения // Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. М.;Л., 1953. С. 118-155.
9. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М., 1972.
10. Обухов Д.С. Теплообмен при кипении недогретой жидкости в условиях ступенчатого тепловыделения нагрузки // Инж.-физ. журн. 2007. Т. 80. № 1. С. 136-139.
11. Лыков Е.В., Синецкая А.Г. Переходные процессы и теп-лоакустические эффекты при поверхностном кипении жидкости // Инж.-физ. журн. 2005. Т. 78. № 4. С. 22-26.
Поступила в редакцию
13 декабря 2007 г.
а
б
в
