Опалев, А.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 10: Теплоэнергетика ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАПЛИ ЖИДКОСТИ, УДАРЯЮЩЕЙСЯ О ПЕРЕГРЕТУЮ ПОВЕРХНОСТЬ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ Опалев А. Научный руководитель: Феоктистов Д.В., ассистент Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30 E-mail: OAE@sibmail.com  Для исследований падения капли на перегретую поверхность, разработан экспериментальный стенд. Принципиальная схема этого стенда представлена на рис. 1. В экспериментальной установке используется улучшенная теневая методика [1]. Данная система предназначена для наблюдения за жидкостью во время процесса падения капли на поверхность. Для проецирования изображения на сенсор камеры используется комбинация конденсирующая линза 5 и объектив камеры 7. Установка помещена на стол поверх плиты выполненной из стали. Элементы установки прикреплены к стальной плите с помощью болтов, что обеспечивает неподвижность элементов установки.   Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки: 1 − источник света; 2 − блок питания электронагревателя; 3 − электронагревательный элемент; 4− подложка; 5 − конденсирующая линза; 6− непрозрачный щит с отверстием; 7− камера с объективом; 8 − насос; 9 – патрубок подачи жидкости; 10 −игла для образования капли. Основными элементами установки являются: источник света 1, конденсирующая линза 5, рабочий участок 3-4, непрозрачный щит с отверстием 6 и камера с объективом 7. Элементы установки располагаются на определённом расстоянии между собой для наилучшей визуализации процесса падения капли. Блок питания 2 подключён к нагревательному элементу 3 с помощью проводов. С помощью насоса 8 регулируется расход подачи жидкости через патрубок 9 к игле 10, где образуется капля. Поток света проходит через каплю (во время её полета и на подложке) и поступает на конденсирующую линзу 5, где преломляется, в луч идущий через непрозрачный щит в отверстие 6 и регистрируется высокоскоростной камерой 7.  Рабочий участок состоит из следующих элементов установки: подложка 4 (медная пластина) и электронагреватель 3.  В разработанной установке источником тепловыделения является электрический ток, подводимый к спирали накаливания выполненного в виде открытого сверху и снизу металлического кожуха. В качестве электронагревателя используется круглая плоская спираль диаметром 50 мм, состоящая из девяти витков нихромовой проволоки диаметром 2 мм. Непосредственно на электронагревательный элемент помещена круглая пластина (подложка) с диаметром 54 мм и толщиной 4 мм, выполненная из меди (ГОСТ 617-90). Измерение нестационарной температуры подложки производилось с помощью восьмиканального устройства Agilent 34901A. В качестве датчиков температур использовалась  термопара “хромель-капель”, изготовленная из проволоки диаметром 0,2 мм медно-никелевого термоэлектродного сплава марки МНМц 43 – 0,5  (следующего химического состава: никель (Ni) – 44%; железо (Fe) – 2%;  медь (Cu) – 54%). Термопары были откалиброваны с точностью 0,1 ºС. Схема расположения термопары, представлена на рис. 2.  Рисунок 2– Расположение термопары: 1 – подложка; 2 – термопара; 3 − капля.  Данные видеосъёмки обрабатывались с помощью компьютерной программы DropShapeAnalysis, также разработанная исследовательским центром микрогравитации Свободного университета, Брюссель, Бельгия.  Основными факторами воздействия в данном эксперименте являются: количество подводимой теплоты, высота падения капли; выходными параметрами: температура поверхности нагрева, диаметр капли, ударяющейся о перегретую поверхность. Данные по факторам воздействия в эксперименте сведены в таблицу 1. В качестве объекта исследования рассматривалась дистиллированная вода без 167 XХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 10: Теплоэнергетика дополнительной отчистки.    Таблица 1 – Основные факторы. Объект исследования Объем капли, мл Темпера-тура подложки, 0С Высота падения капли, мм Дистиллированная вода 0,014 от 20 до 220 130, 180  При планировании и организации исследований решались следующие задачи: - адекватность описания условий, в которых проходил эксперимент при анализе результатов; - обеспечение минимальных значений систематических ошибок определения основных параметров и исключение грубых ошибок; - создание условий для усреднения данных измерений. По результатам предварительных экспериментов принята следующая область изменения факторов, для всех объектов исследования: 20 ≤ X1 ≤ 2200С , 130 ≤ X2 ≤ 180мм , где X1 и X2– температура подложки при подведённом тепловом потоке и высота падения капли соответственно. Интервалы варьирования относительно нулевых уровней для всех объектов исследования: ∆X1 = 2ºС, ∆X2 = 50мм. При проведении исследований обеспечивалось неизменность внешних условий с целью минимизации случайных ошибок. Так, например, поддерживалась постоянной температура жидкости при образовании капли. Все эксперименты проводились в закрытых отапливаемых помещениях при температуре воздуха 293…298 K (20…25°С). С использованием описанной выше методики исследована физика поведения капли, ударяющейся о перегретую поверхность с различной скоростью в условиях свободного падения. На рис. 3 приведена зависимость диаметра растекания капли дистиллированной воды, ударяющейся о перегретую поверхность от температуры подложки при высоте падения капли 130 и 180мм. По результатам анализа рис. 3 установлено, что при увеличении температуры подложки максимальный диаметр растекания капли увеличивается до температуры подложки 80 0С. При дальнейшем росте температуры поверхности диаметр растекания уменьшается. Данный эффект наблюдается до температуры подложки 120 0С. При дальнейшем нагреве происходит рост диаметра растекания кали.    Рисунок 3 – Зависимость диаметра растекания капли от температуры подложки при высоте падения капли 130мм (линия 2) и 180мм (линия 1).  Стоит отметить, что характер экстремумов в диапазоне температур 80 и 120 0С остается идентичным и не зависит от высоты. Возможно, что данный эффект связан с тем, что на участке температур подложки от 70 до 90 0С происходит пузырьковое кипение капли, что соответствует самым большим скоростям испарения жидкости [2]. В этом режиме жидкость не находится в сфероидальном состоянии, а растекается по поверхности нагрева и достигает максимального диаметра, смачивая её. В диапазоне температур подложки 120-140 0С наблюдается переходное кипение жидкости [3]. В этом случае жидкость периодически контактирует с греющей стенкой, скорость испарения понижается с ростом температуры. При температуре выше 140 0С наблюдается пленочное кипение жидкости, что соответствует сфероидальному состоянию капли, когда тепловыделяющая поверхность полностью отделена от поверхности нагрева пленкой пара и импактная струя не смачивает поверхность нагрева, так как поверхность находится выше температуры предельного перегрева жидкости. В этом режиме кипения скорость парообразования самая маленькая.  Список литературы 1. Кабов О.А., Зайцев Д.В. Влияние гистерезиса смачивания на растекание капли под действием гравитации. // ДАН. 2013, том 451, №1, с. 37-40. 2. Авакимян Н.Н., Васильев Н.И., Трофимов А.С. Экспериментальное исследование теплового взаимодействия осаждающихся капель с нагретой поверхностью. Дис. … канд. техн. наук. Краснодар, КубГТУ, 1991. 3. Анохина, Е.В. Исследование процессов испарения и кипения жидкостей / Е. В. Анохина // ЖТФ. – 2010. – Т. 80. – Вып. 8. – С. 32–37. 3579111320 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220D, ммТ, °С12168 

Экспериментальное исследование капли жидкости, ударяющейся о перегретую поверхность в условиях свободного падения

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University