22 Изучению процесса испарения капли жид

22
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
УДК 536.422.1
П. С. Васильев, С. Л. Рева, Л. С. Рева, Н. Н. Коваль
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
КАПЕЛЬНОГО КИПЕНИЯ РАСТВОРОВ И СУСПЕНЗИЙ
НА ОБОГРЕВАЕМОМ ВРАЩАЮЩЕМСЯ ДИСКЕ
Волгоградский государственный технический университет
Приведены описание разработанной экспериментальной установки для исследования капельного кипения жидкостей на поверхности нагрева в поле центробежных сил и программа проведения экспериментов.
Ключевые слова: испарение, кипение, капля, поверхность нагрева, поле центробежных сил.
P. S. Vasiliev, S. L. Reva, L. S. Reva, N. N. Koval
EXPERIMENTAL INSTALLATION FOR RESEARCH OF DROP
BOILING OF SOLUTIONS AND SUSPENSIONS ON A ROTATING HEATING DISK
Volgograd State Technical University
Are resulted the description of the developed experimental installation for research of drop boiling liquid on a
heating surface in the field of centrifugal forces and the program of carrying out of experiments.
Keywords: evaporation, boiling, drop, heating surface, centrifugal force field.
Изучению процесса испарения капли жидкости с поверхности нагрева в режиме кипения
посвящено достаточно большое количество исследований, например [1–5], которые подтверждают перспективность использования капельного кипения в технологических процессах.
Собственный опыт экспериментальных исследований капельного кипения [6–10] позволил разработать и предложить ряд конструкций
аппаратов с его использованием [11–15]. В то
же время этот опыт показывает, что капельное
кипение на неподвижных нагреваемых поверхностях наиболее эффективно при работе с чистыми жидкостями. В случае испарения растворов или суспензий на поверхности нагрева
остается твердый сухой остаток, который загрязняет ее, увеличивая термическое сопротивление теплоотдаче и соответственно, уменьшая
интенсивность процесса. С течением времени
необходимо обеспечивать периодическую очистку поверхности различными способами (механическим, химическим и др.). Для непрерывного проведения процесса и обеспечения очистки поверхности нагрева нами предложена
конструкция аппарата, капельное кипение жидкости которого происходит на вращающемся
обогреваемом диске [16]. При испарении капли
с диска образующийся твердый остаток под
действием центробежной силы сбрасывается с
него. Соответственно поверхность нагрева остается чистой за весь период работы, сохраняя
высокую интенсивность процесса.
Для изучения закономерностей капельного
кипения жидкости на вращающемся обогревае-
мом диске разработана экспериментальная установка, схема которой приведена на рисунке.
Экспериментальная установка состоит из
корпуса, внутри которого расположен вращающийся на подшипниках вертикальный полый вал с термоизолированным горизонтальным диском, на котором находится нагреваемая
поверхность, обогрев которой осуществляется
электронагревательной спиралью.
Подвод тока осуществляется коллекторными
кольцами через щетки (скользящий контакт).
Мощность нагревателя регулируется лабораторным автотрансформатором, а параметры тока
замеряются амперметром и вольтметром. Температура обогреваемой поверхности измеряется
бесконтактным способом инфракрасным термометром – пирометром АКИП-9302. Вращение
диска обеспечивается электродвигателем, частота оборотов которого регулируется вторым лабораторным автотрансформатором. Число оборотов диска замеряется стробоскопическим тахометром. Исследуемая жидкость подается через ороситель в виде капель на нагреваемую
поверхность диска. Весь процесс фиксируется
скоростной видеокамерой VS-FAST/6 и выводится на дисплей компьютера.
Экспериментальная установка работает следующим образом. Электронагревательная спираль обеспечивает необходимую температуру
греющей поверхности. Испаряемая жидкость
через ороситель подается в виде капель на некоторый начальный радиус вращающейся
греющей поверхности диска для того, чтобы
обеспечить массе капли жидкости достаточную
23
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
для ее движения по греющей поверхности центробежную силу. На греющей поверхности капли жидкости начинают интенсивно испаряться, и, в то же время, под действием центробежной силы двигаются к периферии диска. При
полном испарении жидкой фазы раствора или
суспензии остается твердый сухой остаток, который под действием центробежной силы сбрасывается с диска, предотвращая образования
твердых отложений на греющей поверхности и,
соответственно, исключая дополнительное
термическое сопротивления теплоотдаче, что
позволяет сохранить высокую интенсивность
процесса испарения. Твердый сухой остаток
или, в случае неполного испарения капель жидкости концентрированная суспензия, или упаренный раствор, удаляется из корпуса установки через дренажные штуцеры.
Схема экспериментальной установки для исследования капельного кипения на вращающемся обогреваемом диске:
1 – корпус; 2 – диск; 3 – электронагревательная спираль; 4 – нагреваемая поверхность; 5 – полый вал; 6 – подшипники; 7 – приводной ремень; 8 – шкивы; 9 – электродвигатель; 10 – ЛАТР; 11 – коллекторные кольца; 12 – щетки; 13 – вольтметр; 14 – амперметр; 15 – ЛАТР; 16 –
персональный компьютер с дисплеем; 17 – скоростная видеокамера; 18 – стробоскопический тахометр; 19 – капельный ороситель; 20 – пирометр; 21 – источник освещения
Скорость вращения диска должна быть такой, чтобы гарантировать сброс капли жидкости и образующейся твердой фазы с греющей
поверхности, что обеспечивается условием саморазгрузки, то есть центробежная сила PЦ
должна быть больше или равна силе трения FТР
PЦ ≥ FТР
(1)
или
mω2r ≥ φmg,
(2)
где m – масса капли, кг; ω – угловая скорость
вращения, рад/с; r – текущий радиус диска, м;
φ – коэффициент трения; g – ускорение свободного падения, м/с2.
Соответственно, угловая скорость вращения, обеспечивающая разгрузку греющей поверхности, должна быть равна
ω≥
ϕ⋅ g
.
r
(3)
24
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Зная температуру поверхности нагрева,
температуру капли, температуру окружающей
среды, время испарения капли, ее первоначальный объем или массу можно рассчитать коэффициенты тепло- и массоотдачи и производительность процесса. Наличие в экспериментальной установке скоростной видеокамеры,
выведенной на компьютер, позволяет с любой
необходимой точностью и детализацией рассмотреть и оценить физическую картину, необходимые линейные размеры, время протекания
процесса испарения капли и ее перемещение.
Наблюдение за каплей в увеличенном масштабе на мониторе с заданной скоростью раскадровки позволяет точно засечь время попадания
капли на поверхность нагрева и время ее испарения.
Программа экспериментов предполагает
проведение исследований при изменении различных условий проведения экспериментов:
высоты падения капли на поверхность нагрева;
размера капли; начальной температуры капли;
температуры поверхности нагрева; частоты
вращения диска.
Полученные наблюдения и экспериментальные данные позволят предложить адекватную физическую и математическую модель
процесса капельного кипения жидкостей на поверхности нагрева в поле центробежных сил
и соответствующую ей математическую модель. Корректность математического решения
должна подтвердиться экспериментальными
данными. Экспериментальные и теоретические
исследования должны быть завершены разработкой инженерной методики расчета с использованием капельного кипения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кутателадзе, С. С. Тепломассообмен и волны в газодинамических системах / С. С. Кутателадзе, В. Е. Накоряков. – Новосибирск: Наука, 1984. – 301 с.
2. Скрипов, В. П. Капля на горячей плите: появление
1/f-шума при переходе к сфероидальной форме / В. П. Скрипов, А. В. Виноградов, В. Н. Скоков и др. // ЖЭТФ. –
2003. – Т. 73. – Вып. 6. – С. 21–23.
3. Sodtke, С. Evaporation of thin liquid droplets on heated
surfaces / C. Sodtke, V. S. Ajaev, P. Stephan // Heat and Mass
Transfer. – 2007. – № 43. – Р.P. 649–657.
4. Xie, H. A model for droplet evaporation near Leidenfrost point / H. Xie, Z. Zhou // International Journal of
Heat and Mass Transfer. – 2007. – № 50. – Р.P. 5328–5333.
5. Анохина, Е. В. Исследование процессов испарения
и кипения жидкостей / Е. В. Анохина // ЖТФ. – 2010. –
Т. 80. – Вып. 8. – С. 32–37.
6. Экспериментальное исследование испарения капли
с поверхности нагрева / С. Л. Рева, П. С. Васильев, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты:
доклады междунар. науч.-практич. конференции / Под общ.
ред. чл.-кор. РАН В. П. Мешалкина. – М.; Тула: ТулГУ,
2010. – 103 с.
7. Рева, С. Л. Экспериментальная установка для исследования процесса капельного испарения / С. Л. Рева,
Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 1 / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» ; вып. 4). – С. 40–43.
8. Интенсификация тепло- и массообмена при капельном кипении жидкости / С. Л. Рева, П. С. Васильев,
Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // XIX Менделеевский
съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 25–30
сентября 2011 г.). В 4 т. Т. 3 / РАН, РХО им. Д. И. Менделеева, Администрация Волгоградской обл. [и др.]. – Волгоград, 2011. – C. 500.
9. Методика обработки экспериментальных исследований капельного кипения / С. Л. Рева, П. С. Васильев,
Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. тр. № 1 / ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» ; вып. 5). – С. 42–45.
10. Критериальная зависимость для испарения одиночной капли жидкости на поверхности нагрева / П. С. Васильев, С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. тр. № 10 / ВолгГТУ. –
Волгоград, 2012. – (Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах» ; вып. 14). – С. 13–18.
11. П. м. № 107960 РФ, МПК В 01 D 1/00. Испаритель /
С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. – 2011109599/05; заявл.
14.03.2011; опубл. 10.09.2011.
12. П. м. № 114864 РФ, МПК В 01 D 1/22. Испаритель /
А. Б. Голованчиков, Л. С. Рева, С. Л. Рева, П. С. Васильев;
заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. – 2011146569/05;
заявл. 16.11.2011; опубл. 20.04.2012.
13. П. м. № 116063 РФ, МПК В 01 D 1/22. Испаритель /
П. С. Васильев, С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков,
Э. А. Магомедова, И. В. Ломоносова; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. – 2011150379/05; заявл. 09.12.2011;
опубл. 20.05.2012.
14. П. м. № 120205 РФ, МПК F 28 D 11/04. Оросительный теплообменник / П. С. Васильев, С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков, С. Б. Воротнева, М. П. Купцов;
заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. – 2012114653/06;
заявл. 012.04.2012; опубл. 10.09.2012.
15. Пат. № 2462286 РФ, МПК B 01 D 1/22. Способ испарения жидкости в испарителе / С. Л. Рева, Л. С. Рева,
А. Б. Голованчиков; заявитель и патентообладатель
ВолгГТУ. – 2011109625/05; заявл. 14.03.2011; опубл.
27.09.2012.
16. Испаритель: заявка на полезную модель
№ 2012125095/05 Российская Федерация, МПК В 01 D
1/00 / С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков, П. С. Васильев; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. – заявл.
14.05.2012; решение о выдаче патента 03.09.2012.