Устройство для определения скорости испарения капли
DEVICE FOR DETERMINING RATE OF EVAPORATION OF DROPLET

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей испарения капель жидкости при нагреве внешним тепловым потоком.
Изучение процессов испарения жидких капель имеет большое практическое значение при проектировании различных энергетических устройств, оптимизации технологий тушения пожаров, а также в ряде других практических приложениях [1, 2].
Для оценки адекватности существующих теоретических моделей (диффузионная модель Сполдинга, модель фазового перехода и др.), а также разрабатываемых моделей испарения необходимо экспериментальное исследование скорости испарения капли.
Известен способ измерения скорости испарения капли с помощью видеосъемки при ее гравитационном осаждении в горячих продуктах сгорания жидкого топлива [3]. При реализации данного способа нагрев капли осуществляется за счет конвективно-радиационного теплообмена. Кроме того, в процессе осаждения наблюдаются деформация и колебания капли. В таких условиях выявить влияние различных эффектов на скорость испарения капли не представляется возможным.
Известны способы измерения скорости испарения неподвижной капли, помещенной на нагретую металлическую пластину [1], подвешенной на кольце из тонкой (диаметром 25 мкм) проволоки [4] или закрепленной на торце асбестовой нити [5]. Нагрев капли осуществлялся потоком горячего воздуха. Недостатком этих способов является необходимость учета кондуктивного теплообмена между каплей и фиксирующими каплю элементами.
Известен способ определения скорости испарения капель жидкости в потоке нагретого газа [6]. Определение скорости испарения проводят на каплях, свободно взвешенных в восходящем газовом потоке внутри конической трубки, в режиме опускания капли по мере ее испарения. Для этого периодически уменьшают расход газа, регистрируют размеры капель, проходное сечение канала по высоте расположения капли и расход газа.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство для определения скорости испарения и горения группы мелких капель [7]. Левитирующие капли жидкости фиксируются по оси камеры сгорания при помощи акустического поля и нагреваются от горячих стержней, расположенных в нижней части камеры. Температура в камере измеряется датчиками температуры, а изменение размеров капель фиксируется высокоскоростной камерой через прозрачное окно в стенке камеры сгорания. Нагрев капель в данном устройстве реализуется за счет комбинированного теплообмена, включающего конвективный, кондуктивный и лучистый механизмы.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения скорости испарения капли.
Технический результат достигается тем, что разработано устройство для определения скорости испарения капли, включающее ультразвуковой левитатор, локализующий каплю в акустическом поле резонатора, систему нагрева капли внешним тепловым потоком и систему визуализации. Система нагрева капли включает ксеноновую лампу с регулируемой мощностью излучения, размещенную в фокусе параболического рефлектора. Система визуализации включает две видеокамеры, расположенные с возможностью регистрации формы и размеров капли в перпендикулярных плоскостях. В месте локализации капли установлен перемещаемый датчик лучистого теплового потока с возможностью его удаления перед проведением измерений. Скорость испарения капли определяется из соотношения
i
i
2
где W(t) - скорость испарения капли в момент времени t, кг/(м⋅с);
ρ - плотность жидкости, кг/м;
Δt- промежуток времени между регистрируемыми видеокадрами, с;
n - количество регистрируемых видеокадров в процессе испарения капли;
i
- радиус эквивалентной сферической капли равного объема в момент времени t, м;
a
i
i
i
i
(t) и b(t), - значения размеров капли по горизонтальным осям в перпендикулярных плоскостях, a c(t) значение размера капли по вертикальной оси в момент времени t, м;
i
- среднее значение размера капли по вертикальной оси в момент времени t, м;
(1)
(2)
i
i
i
с(t), с(t) - значения размеров капли по вертикальной оси в момент времени t, измеренные 1-й и 2-й видеокамерами, м.
Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на Фиг. 1. Устройство включает ультразвуковой левитатор, содержащий пьезоэлектрический преобразователь 1 установленный на пластине 2 и соединенный с усилителем мощности 3, генератором колебаний 4 и источником питания 5. Акустическое поле формируется в резонаторе между пластиной 2 и отражателем 6, соединенным с микрометрическим винтом 7 для регулирования расстояния между пластиной 2 и отражателем 6 (высоты резонатора). Ксеноновая лампа 8 с регулируемой мощностью излучения, помещенная в фокусе параболического рефлектора 9 используется для нагрева и подсветки левитирующей капли 10. Видеокамеры 11, расположенные в перпендикулярных плоскостях, обеспечивают двухракурсную съемку испаряющейся капли 10. Параболический рефлектор 9 расположен таким образом, чтобы исключить попадание светового потока в объективы видеокамер 11. Перемещаемый датчик теплового потока (на Фиг. 1 не показан) установлен в месте расположения левитирующей капли.
Устройство работает следующим образом. Исследуемую каплю жидкости заданной массы с помощью капилляра помещают в резонатор и путем регулирования усилителя мощности 3 и перемещения микрометрического винта 7 добиваются ее устойчивой левитации в акустическом поле. Затем каплю удаляют, а на ее место устанавливают перемещаемый датчик теплового потока, ориентированный тепловоспринимающей поверхностью в сторону ксеноновой лампы 8. Включают ксеноновую лампу 8 при заданной мощности излучения и регистрируют величину теплового потока в этой точке резонатора. Затем датчик теплового потока удаляют, включают генератор 4, создающий акустическое поле между пластиной 2 и отражателем 6. В резонатор снова помещают каплю 10 исследуемой жидкости заданной массы. Поскольку масса капли одинакова, она будет устойчиво фиксироваться в точке резонатора, для которой проведена градуировка величины теплового потока. Видеосъемку процесса испарения капли проводят видеокамерами 11 при включенной ксеноновой лампе 8.
i
i
i
По результатам измерений размеров капли в трех плоскостях рассчитывают радиус эквивалентной сферической капли R(t) в моменты времени t и по соотношению (1) рассчитывают скорость испарения капли W(t) в соответствующие моменты времени.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
1. Использование ксеноновой лампы с регулируемой мощностью излучения, помещенной в фокусе параболического рефлектора, обеспечивает подачу равномерного лучистого теплового потока задаваемой интенсивности на исследуемую каплю.
a
i
i
i
2. Использование двух видеокамер, расположенных с возможностью регистрации формы и размеров капли (t), b(t), c(t) в перпендикулярных плоскостях, позволяет повысить точность определения радиуса эквивалентной сферической капли с учетом ее деформации в процессе испарения (Фиг. 2):
3. Установка перемещаемого датчика лучистого теплового потока в месте локализации левитирующей капли позволяет строго контролировать уровень теплового потока, действующего на каплю. Удаление датчика перед проведением измерений исключает возмущение акустического поля в резонаторе в процессе испарения капли.
4. При локализации капли в резонаторе ультразвукового левитатора под воздействием акустического поля происходит ее деформация в виде сплющенного сфероида (Фиг. 3). По мере испарения капли и уменьшения ее массы степень деформации уменьшается и форма капли приближается к сферической. Для уменьшения погрешности определения скорости испарения сфероидальной капли расчет скорости испарения проводится для эквивалентной сферической капли радиусом R, объем которой равен объему сфероида.
Объем эквивалентной сферической капли равен:
Объем сфероидальной капли (Фиг. 3) равен [8]:
Приравнивая (3) и (4), получим радиус эквивалентной сферической капли:
Изменение массы эквивалентной сферической капли в процессе испарения определяется соотношением [2]
где  масса капли, кг;
R - радиус эквивалентной сферической капли, м;
2
S=4πR - площадь поверхности эквивалентной сферической капли, м;
2
W - скорость испарения, кг/(м⋅с).
Дифференцируя (6), получим
или
Заменяя в (7) производную dR/dt конечными разностями
i=1,2,…,n,
получим формулу (1) для определения скорости испарения капли:
i=1,2,…,n.
Пример реализации
В качестве примера реализации заявляемого изобретения была разработана и изготовлена лабораторная установка (Фиг. 4), на которой проведены эксперименты по определению скорости испарения капель дистиллированной воды. Постоянное напряжение от источника 5 преобразуется генератором колебаний 4 в переменное напряжение частотой 24 кГц и подается на пьезоэлектричесий элемент 1. Отражатель 6 закреплен на микрометрическом винте 7 для регулирования высоты резонатора. Капля воды диаметром (2÷3) мм формировалась с помощью капилляра и фиксировалась в резонаторе между пластиной 2 и отражателем 6.
2
a
i
i
i
Лучистый тепловой поток создавался ксеноновой лампой ДКсР-3000 М, помещенной в фокусе параболического рефлектора. Величина теплового потока в месте локализации капли, определенная при помощи измерителя тепловых потоков Ophir Optronics FL500A, составляла q=(0.5÷1.5) Вт/см в зависимости от величины напряжения на ксеноновой лампе и расстояния до левитатора. Визуализация процесса испарения капли проводилась двумя цифровыми видеокамерами "Panasonic HDC-SD60». Размеры капли в трех плоскостях (t), b(t), c(t) определялись обработкой видеокадров процесса испарения в программном комплексе Corel DRAW.
На Фиг. 5 приведены графики изменения эквивалентного радиуса капли дистиллированной воды для двух значений теплового потока. Скорость испарения капли рассчитывалась по формуле (1). Результаты измерений приведены в таблице 1.
Приведенный пример показывает, что при реализации заявляемого изобретения достигается положительный эффект, заключающийся в повышении точности определения скорости испарения капли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Высокомерная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Испарение и трансформация капель и больших массивов жидкости при движении через высокотемпературные газы. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016. - 302 с.
2. Терехов В.И., Пахомов М.А. Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. - 284 с.
3. Волков Р.С., Высокоморная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Экспериментальное исследование изменения массы капель воды при их движении через высокотемпературные продукты сгорания // Инж.-физ. журн. 2013. Т. 86, №6. - С. 1327-1332.
4. Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Экспериментальное исследование испарения капель наножидкости в потоке сухого воздуха// Современная наука. 2011, №2 (7). - С. 197-200.
5. Терехов В.И., Шишкин Н.Е., Ли Х.-К. Влияние поверхностно-активного вещества на испарение водяных капель // Современная наука. 2011, №2 (7). - С. 215-219.
6. А.С. СССР №1318880, МПК G01N 25/02, Способ определения скорости испарения капель жидкости в потоке газа / Гольдин Г.С., Железное СВ. - заявл. 03.07.1985; опубл. 23.06.1987 Бюл. №23.
7. Patent China CN 107202812 А, МПК G01N 25/02, Acoustic levitation multi-droplet evaporation and combustion experiment device and method / Wang Wei, Wang Jigang, Wang Xun, Ren Guilong, Kim Zhungliang, He Qiang, Tang Literature. - заявл. 08.09.2016; опубл. 26.09.2017/
8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М: Наука, 1981. - 720 с.