В работе приведены экспериментальные кривые акустической эмиссии при кризисе кипения бинарных смесей жидкостей.
Проблемы, возникающие при кризисе кипения жидкостей для ряда отраслей энергетики (ракетно-космическая, атомная, химическая) связаны с отводом весьма значительного количества тепловой энергии от теплонапряженных поверхностей и ее разрушение в случае ухудшения теплоотдачи с жидкостью. Например, для ядерного реактора некипящего типа наибольшую опасность представляет режим пленочного кипения, которому предшествует область смены режима кипения от развитого пузырькового к пленочному. Один из способов диагностики возникновения кризиса кипения жидкости является изучение звукового давления, возникающего при импульсном росте парового пузырька на поверхности нагревателя [1]. Несомненно, этот способ несет научную и практическую ценность для понимания самой природы кризиса кипения, а так же его диагностирования.
В статье [2] приведена экспериментальная кривая зависимости плотности теплового потока q от температурного напора ΔТ при насыщенном кипении воды, показано, что кризис кипения наступает при перегреве воды в 24,4 оС. При этой температуре, на поверхности нагревателя, происходит смена режима кипения, величина плотности теплового потока достигает критического значения равного 1МВт\м2. Если контролировать температуру поверхности нагревателя, то наступление кризиса кипения жидкости можно определить и не допустить разрушение теплонапряженной поверхности. Иначе обстоит дело с регулированием только тепловой нагрузки нагревателя, существует большая вероятность быстрой смены пузырькового режима на пленочный режим кипения, что является весьма опасным моментом работы теплонапряженной поверхности, приводящей к его разрушению.
Для изучения кризиса кипения жидкостей часто используют тонкую проволоку (теплонапряженная поверхность), нагретую постоянным электрическим током, которая помещается в экспериментальный сосуд емкостью 300 мл. Нагретая проволочка одновременно является источником звука и теплового потока.
Используя установку, предложенную в работе [1], нами был проведен ряд экспериментов с целью определения уровней акустического давления с ростом тепловой нагрузки при ненасыщенном кипении жидкостей.
Нагревание медной проволочки производилось постоянным электрическим током, удельный тепловой поток q [Вт/м2], рассчитывался по формуле:
где 
– мощность нагревателя; 
диаметр нагревателя; 
длина проволочки.
Схема экспериментальной установки приведена на (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальная установка. Батарея аккумуляторов (1), управляемый регулятор мощности (2), измерительный сосуд (5), тепловыделяющий элемент (4), термометр (6), спектрометр ультразвуковой частоты (7240 Гц- 292 кГц (7), спектрометр звуковой частоты (40 Гц- 20 кГц) (8), интегрирующий прибор (ИП) милливольтметр типа ВЗ-5 (9)
Диаметр медного цилиндрического нагревателя 55 мкм, длина 2,2 см. Экспериментальными жидкостями были выбраны водные растворы этанола, изоамилового и изобутилового спиртов, концентрация которых составлялась по весу органического компонента: вода-этанол до 70 %, вода — изоамиловый спирт до 6 % и вода-изобутиловый спирт до 7 %. Выбор органических компонентов жидкостей связан с их техническими ценностями для производства.
Эти жидкости обладают уникальными теплофизическими свойствами, в отличие от однокомпонентных жидкостей [3].
Подготовленные нами составы смесей заливались в стеклянный сосуд (5). Нагревательный элемент присоединялся к токоведущим медным стержням с помощью специальных зажимов, обеспечивающих надежный контакт. Для измерения падения напряжения на рабочем участке был применен электронный вольтметр (3) М-890G класса точности 0,5, концы которого присоединялись к медным стержням. В качестве источника тока служили две аккумуляторные батареи по 12 В и емкостью 75 А ч каждая. Электрическая нагрузка регулировалась электронным “регулятором мощности” (рис.2), который увеличивал мощность на нагревателе до момента его разрушения за 10 секунд. Это позволило снизить вероятность изменения состава низкокипящего элемента, у поверхности нагрева и удерживать постоянной температуру ядра жидкости.
Перед каждым измерением тепловой нагрузки 
, медный цилиндрический нагреватель прокаливался на воздухе по всей длине.
Звукоанализирующая часть установки регистрировала интегральные характеристики (звуковое давление). Пьезокерамический гидрофон преобразовывал звуковую энергию в эквивалентный электрический ток и посылал его в анализаторы спектров.
Рис. 2. Управляемый регулятор мощности
Акустическое давление регистрировалось с помощью прибора В3–5. Полученные кривые снимались в данной серии опытов при сохранении температуры ядра жидкости 24оС в пределах 3–5оС. в течение одного опыта. Акустическим датчиком являлся сферический гидрофон диаметром 1 см. сделанный из пьезокерамики ЦТС чувствительностью 6 мкв/бар. Гидрофон помещался снизу, на расстояние 6 см, от греющей проволоки по перпендикуляру к ней.
Рис. 3. Акустические кривые кипения
Интегральные уровни акустического давления Pак в относительных единицах как функции удельного теплового потока q в двух жидкостях: 1- n-пропанол (20 % по весу) — вода; 2-дистиллированная вода.
На рис. 3 представлены характерные зависимости уровней акустического давления (Pак) от величины тепловой нагрузки в воде и бинарной смеси вода — 20 % n-пропанол. Полученная зависимость называется акустической кривой кипения [1]. Начало вскипания жидкости характеризуется возникновением высокочастотных составляющих. В этот момент на поверхности нагревателя появляется пузырек [1]. Далее величина звукового давления возрастает вместе с тепловым потоком до некоторого уровня, затем этот рост замедляется, заканчиваясь как бы “уровнем насыщения”. При этом выявляется звуковой максимум данной кривой в довольно малой окрестности значений тепловой нагрузки, так что дальнейший рост приводит к некоторому уменьшению акустического давления. Максимум звукового давления соответствует критической плотности теплового потока. Отметим, что уровень звука в бинарной смеси с небольшой концентрацией органического компонента выше, чем в чистой жидкости при одинаковой тепловой нагрузке. Акустические максимумы, как и критические тепловые потоки, принимают вполне определенные значения для каждой данной жидкости, т. е., по-видимому, могут рассматриваться в качестве характеристик процесса поверхностного кипения при данном сочетании твэл-жидкость. Этот эффект является общим свойством для указанных выше водных растворов.
В таблице 1 приведены данные измерения удельных тепловых потоков q и соответствующие им акустические давления Рак в кипящем составе (х=8 % по весу органического элемента в воде) метил-этилкетон-вода.
Таблица 1
|
Рак, дб |
-17,1 |
-7,5 |
-3 |
0 |
4,7 |
14,4 |
15,8 |
16,2 |
17,0 |
|
q,Мвт/м2 |
2,60 |
2,83 |
3,11 |
3,61 |
4,22 |
5,20 |
9,3 |
12 |
16,41 |
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о наличии определенной связи между Рак(х) и q(х). Например, для системы н-пропанол-вода найдено уравнение связи следующего вида: Рак=1,27q-24,7.
Теоретическое осмысление полученных экспериментальных фактов начнем с уравнения динамики роста пузырьков в перегретом слое жидкости
(1)
где 
– радиус сферического пузырька, точками обозначена скорость и ускорение, 
– избыточное давление, 
– плотность жидкости.
Решение этого уравнения показывает, что скорость расширения сферического пузырька в начальный период быстро возрастает, приближаясь к асимптотическому значению. Для асимптотической стадии роста справедливо соотношение
(2)
где 
— температуропроводность, k — теплопроводность жидкости, 
— удельная теплота парообразования, 
— температура перегрева жидкости, t — время.
Скорость движения стенки пузырька мала по сравнению со скоростью звука, поэтому можно считать, что давление в импульсе на расстоянии r от пузырька равно
. Так как радиус зародышевого пузырька мал, то в уравнении (1) произведением 
можно пренебречь, поэтому
(3)
Подставляя значение скорости из уравнения (2) в уравнение (3), получаем
(4)
Полученное выражение определяет величину звукового давления при заданном перегреве ΔТ. Этому перегреву соответствует определенная величина плотности теплового потока.
Из описанных экспериментов следует вывод о том, что акустическая эмиссия, сопровождающая кипение жидкости, однозначно связана с ходом процесса теплообмена, конкретно с ростом плотности теплового потока. Это открытие дает возможность качественно изучить природу кризиса кипения бинарных смесей жидкостей, и открывает возможность для дистанционного управления процессом кипения.
Литература:
- Lykov E. V. Thermoacoustic effects in surface boiling liquids // Jnt. J. Head Mass Transfer, 1972. V. 15. P. 1603–1614.
- Петерсен В. К., Залук М. Ж. Получение кривой кипения при регулировании процесса теплоотдачи. // Тр. Американскогооб-ва. – 1971. – № 4. – С. 90–94.
- W. R. VanWijk., A. S. Vos., S. J. D. Stralen. Heat transfer to boiling liquid mixtures. // Chem. Eng. Sci. – 1956. – № 5. – P. 68–80.
