Экспериментальное исследование интенсивности испарения жидких капель системы «вода — этанол» с теплонапряженной поверхности



Изучение механизма парообразования происходящего с теплонагреваемой поверхности представляет большой интерес для области теплоэнергетики высоких температур. Исследование интенсивности испарения капель жидкостей с сильно нагретых поверхностей является актуальным и перспективным вектором развития в понимании процессов тепло- и маслообмена, происходящего при кризисе кипения жидкостей. [1,3]. Научный и практический интерес к испарению жидкостей в сфероидальном состоянии можно объяснить тем, что охлаждение кипящей жидкостью широко применяется в технике [1]. Поведение испаряющейся капли на горячей плите всегда находилось в поле внимания заинтересованных наблюдателей и было предметом многолетних исследований. Анализ литературных источников [1–4] и собственный опыт экспериментальных исследований [3] показывает, что качественная картина поведения капли при её испарении на поверхности нагрева аналогична у всех авторов. Однако использование каждым исследователем относительно разных измерительных приборов приводит к тому, что численные значения времени испарения имеют значительный разброс. Различные атмосферные условия и другие факторы также вносят значительный разброс в результаты экспериментов

Известно, что капля жидкости, помещенная на сильно нагретую поверхность, может испаряться очень долгое время принимая форму сфероида. Это явление впервые было описано Лейденфростом [2] и нередко называется его именем. Этому феномену посвящено достаточное количество научной литературы. Однако, на наш взгляд, важной особенностью в процессе испарения капель жидкостей с теплонапряженной поверхности является определение и изучение наиболее интенсивного испарения жидкости. Исследование интенсивного испарения капель жидкостей с сильно нагретых поверхностей имеет непосредственное отношение к эффективному отводу тепловых потоков от теплонапряженных поверхностей, что обеспечивает важной информацией проектировщиков в области ее безопасности. В научной литературе этому уделено недостаточно информации.

Для исследования процесса испарения капель жидкостей с поверхности нагрева была разработана и создана экспериментальная установка [3], включающая в себя аппарат с обогреваемой поверхностью, которая представляет собой массивную латунную цилиндрическую пластину диаметром в основание 50мм, высота цилиндра 30 мм. Перед каждым опытом поверхность пластины обрабатывалась спиртом 70 %. Температура греющей поверхности измерялась медь-константановой термопарой, и дополнительно контролировалась инфракрасным термометром — пирометром АКИП-9302, позволяющим проводить измерения бесконтактным способом. Этот комплекс измерительных устройств позволил надёжно контролировать температуру поверхности нагрева с точностью 0,5°С для диапазона измерения температур от 100^оС до 200^оС. Испарение капель с поверхности плиты проводилось с шагом в 5^оС. Все опыты выполнены при атмосферном давлении и относительной влажности воздуха, контролируемой в лаборатории, гигрометром психометрическим ВИТ-1 в пределах 50–60 %. Время испарения капли определялась секундомером с точностью 0.01 с. Масса каждой капели определялась электронными весами Digital Pocket Scale d5–2-series. Опыты по испарению капель жидкостей проводились при постепенном увеличении температуры поверхности нагрева. При одной и той же температуре греющей поверхности испарялось 4 капли. Для построения кривых испарения использовалось среднее время испарения капель жидкости. В качестве экспериментальных жидкостей служили: вода и система вода-этанол концентрацией от 10 до 70 % по весу этанола в воде.

На рис. 1 совместно представлены экспериментальные кривые скорости и времени испарения капель бинарных жидких смесей вода-этанол.

а.

б.

в.

г.

д.

е.

ж.

з.

и.

к.

л.

м.

н.

Рис. 1 Экспериментальные кривые времени и скорости испарения капель системы вода-этанол: кривые времени испарения: а- дистиллированная вода; б- вода-этанол 20 %; г- вода-этанол 30 %; е- вода-этанол 40 %; з — вода-этанол 50 %; вода-этанол 60 %; м — вода-этанол 70 %. Кривые скорости испарения: в –вода-этанол 20 %; д — вода-этанол 30 %; ж- вода-этанол 40 %; и –вода-этанол 50 %; л — вода-этанол 60 %; ж — вода-этанол 70 %.

Визуальная картина испарения всех капель жидкости одинакова. Разница состоит только в температурных интервалах их быстрого испарения. Например, рассмотрим этапы испарения капли вода-этанол 20 % с нагреваемой поверхности. При температуре стенки 100^оС капля жидкости, попадая на поверхность, растекается и скорость ее испарения мала (см. рис. 1 в). В интервале температур 100^оС– 140^оС время испарения уменьшается, внутри капли происходит интенсивное кипение. Скорость испарения капли достигает максимального значения при температуре поверхности 140^оС (рис.1 в). С дальнейшим ростом температуры бронзовой плиты капля не растекается на поверхности, а собирается в паровой сфероид, который периодически разрушается на более мелкие капли. Это происходит в интервале температур 160–230^оС. Как показали экспериментальные наблюдения при температуре 240^оС капля принимает сфероидальное состояние и отделяется от поверхности нагрева паровым слоем. Эта температура называется температура Лейденфроста. При этом теплоотдача от теплонапряженной поверхности и скорость испарения жидкости очень мала. Таким образом, наиболее интенсивное испарение жидкости осуществляется при температуре поверхности 140^оС.

На рисунке 2 представлена обобщающая кривая зависимости времени быстрого испарения жидких капель в системах вода-этанол до 70 % по весу этанола.

Рис. 2. Обобщающая кривая зависимости времени быстрого испарения жидких капель в системах вода-этанол до 70 %

Согласно полученным и представленным обобщающим данным результатов исследования процесса испарения капель системы вода-этанол, можно сделать вывод, что с увеличением содержания спирта в воде температура поверхности при котором происходит быстрое испарение капли уменьшается.

На рисунке 3 представлена кривая зависимости скорости испарения от концентрации этанола в воде.

Рис. 3 Обобщающая кривая скорости испарения жидкой капли системы вода-этанол до 70 % по весу этанола

Из полученной кривой видно, что максимальная скорость испарения капель в системе вода-этанол соответствует концентрации х=40 % по весу этанола.

Таким образом нами экспериментально получены кривые испарения капель жидкостей системы вода-этанол. Определены температуры поверхности нагревателя при которых происходит их быстрое и медленное испарение.

Литература:

1. Анохина, Е. В. Исследование процессов испарения и кипения жидкостей... — 2010. — т. 80. — Вып. 8. — С. 32–37
2. J. G. Leidenfrost, lnt. J. Heat Mass Transfer, 9, 1153–1166 (1966).
3. Романов В. В. Исследование критической области теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей. Автореф. дис.... канд. техн. наук. Воронеж: ВГТУ, 2006. 14 с
4. П. С. Васильев, Л. С. Рева, С. Л. Рева, А. Е. Новиков, А. Б. Голованчиков. Определение времени испарения кипящей на поверхности нагрева капли. Вестник технологического университета. 2016. Т.19, № 5