Определение температурных и временных параметров взаимодействия сильно нагретой металлической стенки и мелких быстрых водяных капель

УДК 536.24

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИЛЬНО НАГРЕТОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТЕНКИ И МЕЛКИХ БЫСТРЫХ ВОДЯНЫХ КАПЕЛЬ

© 2010 г. Н.Н. Авакимян, Н.И. Васильев, Е.Н. Даценко

Кубанский государственный технологический Kuban State Technological

университет, г. Краснодар University, Krasnodar

Представлена методика проведения экспериментов по охлаждению поверхности массивной нагретой до 500 °C стенки падающими единичными каплями диаметром 0,3 и 3,2 мм, имеющими различную температуру (20^98 C). Разрешение датчика поверхностной температуры по времени 10-7с, по пространству 0,11 мм. Представлены некоторые результаты измерений: длительность переднего фронта процесса падения поверхностной температуры стенки, длительность времени теплового контакта, величина падения температуры поверхности и величина температуры поверхности, до которой охлаждается поверхность. Установлена высокая плотность мощности теплового потока от нагретой стенки к жидкости и сделан вывод о возможном существовании процесса конвективного теплоперено-са в слое жидкости, примыкающем к паровой прослойке.

Ключевые слова: капельное охлаждение; паровой слой; поверхностная температура; парогенерирующие установки; тепловой поток; конвективный теплообмен.

The technique of realization of experiments on cooling a surface massive heated up to 500 °C Wall by falling individual drops by diameter 0,3 and 3,2 mm having various temperature (20^98 C). Is submitted. The sanction of the gauge of superficial temperature on time 10-7s, on space of 0,11 mm. Some results of measurements are submitted: the duration offorward front ofprocess offall of superficial temperature of a wall, duration of time of thermal contact, size offall of temperature of a surface and size of temperature of a surface, up to which is cooled a surface. High density of capacity of a thermal flow from the heated up wall to a liquid is established and the conclusion about possible existence of process convective heat transfer in a layer of a liquid contiguous to a steam layer is made.

Keywords: drop cooling; steam layer; superficial temperature; pairgenerating machine; thermal flow; mix heat exchange.

В парогенерирующих установках, в обогреваемых каналах, в дисперсном режиме течения пароводяной смеси мелкие (диаметром менее 0,3 мм), быстрые (скоростью более 10 м/с) капли осаждаются на поверхность нагретой много выше температуры насыщения стенки канала. В этом процессе суммарная мощность теплового потока, отводимая от стенки массой капель, изучена достаточно полно [1]. Однако параметры этого процесса при осаждении небольшой единичной капли на поверхность нагретой стенки канала исследованы недостаточно.

Известно большое количество работ по изучению процесса теплопередачи при охлаждении нагретых поверхностей потоком капель различного спектрального состава [1]. Исследованы различные сочетания физических параметров процесса: скорости капель перед контактом, угла падения капель, диаметра капель, начальной температуры капель, а также температуры поверхности нагретой стенки в широком диапазоне (от 100 до 1000 °С), которые определялись как поставленными практическими задачами, так и возможностями экспериментальной техники. Между тем быстрые, большие, локальные колебания температуры поверхности, совершаемые с большой частотой, вы-

зывают колебания температурных напряжений в материале стенки и, с течением времени, возможно, вызывают появление усталостных трещин, что оказывает влияние на долговечность парогенерирующего канала.

В настоящей работе измерялось локальное падение температуры поверхности нагретой стенки в месте контакта ее с быстрой небольшой одиночной каплей в различные моменты времени с момента контакта, а также с крупными каплями, и определялись при этом: длительность переднего фронта падения температуры - tфр ; длительность теплового контакта - tw ;

величина падения температуры - АТК; наименьшая температура поверхности в процессе контакта - Т.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1а. Капли падали на нагретый массивный металлический образец с изготовленной совместно с ним термопарой (рис. 1 б), которая являлась модификацией конструкции [2], с непосредственным напылением материала термопары на поверхность металлического образца. При падении капель жидкости, имеющих диаметр 0,3 мм на нагретую поверхность, размер наибольшей области растекания жидкости близок к 1 мм.

V кЯ^.2 \ i

К измерителю б

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения изменения температуры поверхности образца (а): 1 - металлический образец; 2 - поверхностная термопара; 3 - теплоизолированная камера; 4 - термометр; 5 - термометр; 6 - бюретка; 7 - нагреватель; 8 - генератор капель (вращающийся капилляр); 9 - теплоизолированный паропровод; 10 - компенсационная термопара; 11 - широкополосной усилитель постоянного тока; 12 - осциллограф типа С1-98; 13 - печь; 14 - усилитель; 15 - частотомер; 16 -нагреватель; 17 - датчик; 18 - лабораторный автотрансформатор; 19 - кипятильник; 20 - трансформатор; 21 - теплообменник; 22 - фотокамера; 23 - микрометрическая линейка; 24 - отверстие экрана. Термопара для измерения пульсаций поверхностных температур в металлической стенке (б):

1 - нагреваемая стенка в качестве первого термоэлектрода;

2 -второй термоэлектрод; 3 - изолятор

Размер области измерения температуры по поверхности должен быть как можно меньшим, и, по крайней мере, на порядок меньше размера области теплового контакта. Быстродействие датчика определялось необходимостью определять качественные особенности и проводить количественные измерения переднего фронта падения температуры длительностью около 10-4 с. Таким образом, инерционность датчика должна быть не более 10-6 с. Образец был изготовлен из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Через всю толщину образца проходил канал диаметром D =0,1 мм. Внутри канала протянута платиновая проволока диаметром 0,05 мм. Проволока изолирована от образца эмалью на основе окиси бериллия, меди и окиси алюминия. Конец проволоки, выходящий на рабочую поверхность, длиной около 2 мм очищался от изоляции и зазор между проволокой и образцом заливался эмалью. Количество окислов металлов в эмали подбиралось таким, чтобы эмаль не растрескалась при её резком охлаждении. После заливки эмалью рабочая поверхность образца шлифовалась и полировалась. Качество полировки контролировалось под микроскопом. Глубина и толщина рисок на эмали и рабочей поверхности не превышала 10-6 м. После этого рабочая поверхность образца и место выхода проволоки на поверхность покрывались слоем платины толщиной L = 10-6 м методом катодного распыления с предварительным ионным травлением в атмосфере водорода при остаточном давлении газа 10-3 Па и при 400 °С.

Таким образом, на поверхности образца образовывалась термопара платина - нержавеющая сталь, объединённая конструктивно с образцом. Термочувствительная область - это вся поверхность покрытого напылением образца, однако, термоЭДС, возникающая достаточно далеко от канала с проволокой, затухает и не влияет на термоЭДС, возникающую в окрестности канала и которая передается на измерительный прибор. Величину затухания можно определить, решая уравнения Максвелла для сплошной среды для полуограниченного тела с внутренним источником, находящимся на глубине L под поверхностью тела [3]. Оценка величины затухания производилась по форму-

х

ле Е (х) = Е0е Ь, где Е0 - термоЭДС, х - расстояние от края отверстия, Ь - толщина слоя.

х

Видно, что термоЭДС участков —- 4,5 ослабляется более чем в 100 раз и почти не влияет на выходной сигнал, поэтому внешний диаметр чувствительной зоны равен примерно 0,11 мм, а источник термо-ЭДС располагается под рабочей поверхностью образца на глубине Ь и 10_6 м, таким образом, термочувствительная область - это кольцо с внутренним диаметром D и внешним D + 4,5Ь . Оценку длительности времени при которой разница между поверхностной температурой и температурой на глубине L пренебрежимо мала, можно произвести, если предположить, что в момент времени t = 0 температура поверхности

образца скачкообразно уменьшается до нуля. Некоторое время поле температур можно считать одномерным, а изменение температуры внутри образца будет монотонным во времени и пространстве. Поэтому можно заменить производные, входящие в уравнение теплопроводности для материала покрытия их приближенными значениями:

дт,

^ дт,

^ Ь

где АТК - изменение поверхностной температуры за время t0^; t0 - длительность времени изменения температуры на границе покрытия и образца; р^, ем,, Xк -плотность, теплоёмкость и теплопроводность материала покрытия соответственно.

Отсюда определим: t0

L2pwcw

В нашем случае Ь и 10 м, р^ = 21500 кг/м; Дж с,„ = 125^^-, отсюда ^ и 1,9 • 10-8 с.

К,= 140

с • м • К кг • К

Образец 1 нагревался печью 13, температура образца контролировалась поверхностной термопарой 2. Влияние изменения температуры окружающей среды компенсировалось термопарой 10. Сигнал от термопары 2 усиливался широкополосным усилителем постоянного тока 11, форма сигнала наблюдалась на экране осциллографа 12 и фотографировалась фотоаппаратом 22. Капли от генератора капель 8 к образцу попадали через отверстия экрана 24. Экран можно было перемещать в горизонтальной плоскости с помощью микрометрических винтов с тем, чтобы капли попадали точно на термопару. Вода в генератор капель поступала из бюретки 6 через теплообменник 21, её температура контролировалась термометром 5. Частоту вращения капилляра определяли с помощью датчика 17 усилителя 14 и частотомера 15. Температура внутри теплоизолированной камеры 3 контролировалась термометром 4 и поддерживалась нагревателем 16. Внутри камеры создавалась паровая атмосфера с помощью кипятильника 19. Образец нагревался до нужной температуры печью 13. На фотографиях осциллограмм, показывающих локальное изменение температуры поверхности во времени, было видно, что начальная температура поверхности тела Тw в течение времени tфр спадает до температуры Т1, причем температура Т1 в дальнейшем испытывает

высокочастотные осцилляции. После прекращения контакта капли с поверхностью, по прошествии времени tw, ее температура плавно возрастает вновь и приближается к Т№ . С помощью осциллограмм изменения поверхностной температуры были определены величины tфр , tw , Тк - Тх, Тх.

Опыты по измерению температуры образца в процессе его охлаждения падающими на него каплями производились в диапазоне начальных температур

образца Тк, = 150 ^ 400 °С Капли дистиллированной воды имели диаметр d0 = 0,3 мм и d0 = 3,2 мм, и

начальную температуру Т1 = 23; 95; 98 °С. Скорость капель диаметром 0,3 мм (мелких) выбиралась в диапазоне W = 11 ^35 м/с, а капли диаметром 3,2 мм (крупные) имели скорость в диапазоне W = 0,51^ 2 м/с. Угол наклона траектории капель перед их контактом с поверхностью составлял у = я/2 и у = я/4 . Опыты проводились в воздушной среде, насыщенной водяными парами, при температуре, равной температуре капель.

На рис. 2 представлена зависимость минимальной температуры Т1 от температуры стенки ТМ1. Величина Т1 растёт с увеличением начальной температуры поверхности ТМ1. Скорость роста величины Т1 для мелких капель несколько увеличивается с увеличением температуры поверхности. Для крупных капель скорость роста температуры Т1 неизменна во всём диапазоне изменения температуры поверхности в пределах точности измерения. Увеличение скорости мелких капель несколько увеличивает величину Т1, для всех у, Т0, ТМ1. Изменение скорости крупных капель на величину Т1 в пределах точности её измерения не влияет, а изменение угла падения крупных капель не влияет на величину Т1 при Т0 = 98 °С. При Т0 = 23 °С увеличение угла падения ведёт к уменьшению Т1 при относительно низкой начальной температуре образца (ТУ) ~200 °С). При увеличении Тк, влияние угла падения на Т1 незначительно. Увеличение начальной температуры жидкости Т0 приводит к уменьшению величины Т1 во всём диапазоне изменения температуры поверхности угол падения и скорости крупных капель.

400

300

200

100

200

300

Т°С

Рис. 2. Зависимость минимальной температуры поверхности под каплей от температуры образца - Тх Т):

Т = 95 °С; d0 = 0,3 мм; у = я/2 ; Ж = 19 м/с

T1, °С

Изменение угла падения мелких капель не влияет на величину Tj во всём диапазоне изменения температуры поверхности, начальной температуры капель и их скорости. Увеличение начальной температуры мелких капель не изменяет, в пределах точности измерения величину Tj во всём диапазоне изменения температуры поверхности, величины угла падения и скорости мелких капель.

На рис. 3 показана зависимость величины падения начальной температуры поверхности (Tw) до минимальной - ATw (Tw) от начальной температуры поверхности. Для мелких капель эти зависимости имеют достаточно выраженный максимум в области температур поверхности Tw = 250 + 320 °С. Для крупных капель величина ATw растёт линейно с ростом Tw.

AT °С

250

V мс

200

150

100

50

• V +

1 о

100

200

300

Т°С

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

•

о

< ,о оЛ ' Л СО

V V

• • <>о ••• - о

100 200 300 Tw, °С

Рис. 3. Зависимость максимальной величины падения температуры поверхности под каплей от температуры образца -АТТ) : Т, = 98 °С; d0 = 3,2 мм; у = я/2; Ш = 0,66 м/с -• ;

Ш=\,25м/с - О; 1,8 м/с - +

Величина АТК для крупных капель не зависит от скорости капель в пределах точности измерения. Для мелких капель увеличение скорости приводит к незначительному уменьшению АТК. Изменение угла падения капель в среднем не влияет на величину АТК во всём диапазоне изменения параметров. Повышение температуры капель приводит в среднем к некоторому уменьшению величины АТК.

Получены зависимости длительности фронта падения температуры от температуры поверхности tфр

(рис. 4). Общим для всех является увеличение длительности фронта с увеличением температуры поверхности. Увеличение скорости капель несколько увеличивает tфр для всех наборов параметров. Увеличение температуры крупных капель с 23 до 98 °С приводит к изменению характера зависимости tфр () так, что при

Тк и 300 °С происходит скачок длительности величины tфр . Аналогичное увеличение Т0 для мелких капель уменьшает в среднем величину tфр .

Рис. 4. Зависимость длительности фронта падения температуры поверхности от температуры образца - t^ (Tw):

T¡ = 98 °С; d0 = 3,2 мм; у = я/2; W = 1,8 м/с - • ; №=1Д5м/с - О

На рис. 5 представлена зависимость длительности теплового контакта от температуры поверхности -tw (Tw). Видно резкое уменьшение длительности теплового контакта с увеличением температуры поверхности стенки до Tw и 220 °С. Увеличение Tw > 220 + 230 °С незначительно уменьшает длительность теплового контакта. Увеличение скорости капель приводит к уменьшению длительности теплового контакта их с нагретой поверхностью во всех исследованных диапазонах изменения параметров.

tw, мс 6-

• •

•

•

•

1 • •

100

200

300

Tw, °С

Рис. 5. Зависимость длительности контакта капли с нагретой поверхностью от температуры поверхности - ):

Т, = 95 °С; d0 = 0,3 мм; у = я/2 ; Ш = 19 м/с

Изменение угла падения капель слабо влияет на длительность теплового контакта, как для крупных, так и мелких капель. Повышение начальной температуры капель с 23 до 98 °С уменьшает крупных капель на порядок и более, в то время как длительно-

4

2

0

сти теплового контакта мелких капель уменьшаются незначительно или не изменяются вовсе.

Проводились также исследования распределения поверхностной температуры в зоне контакта. Для этого изменялось расстояние от места расположения термопары до точки контакта. Опыты проводились с каплями d0 = 3,2 мм, Ж0 = 0,55 м/с, у = я/2, Т0 = 23 °С. Получено, что в зоне смоченного контакта температура Т не изменяется вдоль радиуса зоны. Вне зоны смоченного контакта влияние капли на температуру поверхности очень быстро ослабевало, например на расстоянии 2 мм от края смоченной области (диаметр смоченной области ~ 8 мм) изменение температуры АТК = Тк - Т1 составляло 0,25 от температуры в центре области. На расстоянии 5 мм от края области величина АТК составляла менее 0,01 от величины АТК в центре области.

Плотность мощности потока теплоты, передающаяся капле жидкости в процессе контакта определялась по формуле [5]:

AT„,

4w =

прослойки между растекшейся каплей и нагретой стенкой (~10-6 ^10-7 мм) и возникновение интенсивного конвективного теплопереноса в жидкости из капли, примыкающей к паровому слою.

Таким образом, при взаимодействии падающих капель различных параметров экспериментально определены: длительности переднего фронта процесса падения температуры стенки и установлена малая его длительность, общая длительность теплового контакта и установившаяся температура стенки в процессе контакта. Установлена также большая величина плотности тепловой мощности, передающаяся жидкости в течение длительности времени переднего фронта процесса падения температуры.

где а - температуропроводность.

Величина qw для капель диаметром 3,2 мм достигает величины 1-107 Вт/м2; а для капель диаметром 0,3 мм - 1-108Вт/м2 и зависит от параметров взаимодействия. Видно, что величина qw много больше первой критической для аналогичных условий (106 Вт/м2), что указывает на малую толщину паровой

Литература

1. Исаченко В.П., Кушнырев В.И. Струйное охлаждение. М.,

1974. 216 с.

2. Seki M., Kawamura H., Sanokawa К. Transient temperature profile of a hot wall due to an impinging liquid droplet // Transact. ASME, ser. C. 1978. Vol. 100, № 1. P. 167 - 169.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. [Сер. Теоретическая физика]. М.,1982. 640 с.

4. А.с. № 31445 (Россия) Термопара для измерения пульсаций поверхностных температур в металлических стенках / Н.И. Васильев, Ю.П. Арестенко, Н.Н. Авакимян, А.С. Трофимов. Опубл. в Б.И. № 22. 2003.

5. ЛыковА.В. Теория теплопроводности. М., 1967. 599 с.

Поступила в редакцию 24 ноября 2009 г.

Авакимян Наталья Николаевна - канд. физ.-мат. наук, доцент, кафедра общей математики, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 222-75-71. E-mail: avnatali@mail.ru

Васильев Николай Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра ПТЭ и ТЭС; Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 222-51-27.

Даценко Елена Николаевна - старший преподаватель, кафедра нефтегазового промысла, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 220-49-58. E-mail: aldac@mail.ru

Avakimyan Natalya Nikolaevna - Candidate of Physico-Mathematical Sciences assistant professor, department of common mathematics, Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 222-75-71. E-mail: avnatali@mail.ru

Vasiliev Nikolay Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department industrial power of heat and thermal electrical stations, Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 222-51-27.

Dacenko Elena Nikolaevna - senior lector, department Petroleumgas of a craft, Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 220-49-58. E-mail: aldac@mail.ru