Температура поверхности испаряющихся капель бинарных

УДК 536.423.4: 535.5
ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ ИСПАРЯЮЩИХСЯ
КАПЕЛЬ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ
В.И. Терехов, Н.Е. Шишкин
С помощью тепловизора проведено изучение температуры и размера капель в процессе
o
испарения в воздушной струе в диапазоне температур t0.=20-100 C. Опыты проведены для
водных смесей этанола, метанола и ацетона во всем диапазоне изменения концентраций.
Изучение вида капель с течением времени показало линейное снижение их размера и неравномерность температуры по поверхности для самых разных концентраций водных растворов и условий исследования.
Ключевые слова: тепломассоперенос, размер капель в процессе испарения, испарение
капель бинарного состава.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование испарения бинарных и
многокомпонентных смесей имеет большой
научный и практический интерес при расчетах процессов горения топлив сложного состава в энергетических установках различного назначения. В фармацевтике, где характер
сушки изготавливаемых медицинских препаратов оказывает сильное влияние на свойства лекарств требуется знание законов тепломассопереноса для испарения многокомпонентных жидкостей с поверхности сферических частиц. К настоящему времени накоплена обширная информация о теплопереносе
при испарении чистых жидкостей. Современное состояние проблемы изложено в ряде
обзоров и монографий [1-4]. В тоже время в
этой задаче остается ряд малоизученных аспектов. Испарение капель многокомпонентного состава в газовом потоке исследовано еще
слабее как экспериментально, так и теоретически. По имеющимся работам данного направления [5-7] трудно составит целостную
картину взаимосвязанных процессов тепло- и
массопереноса в жидкой и газовой фазах.
Настоящая работа является развитием экспериментальных исследований [8, 9] по изучению испарения водных растворов этанола,
метанола и ацетона в широком диапазоне
изменения термогазодинамических параметров.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Опыты были проведены на аэродинамическом стенде с нагревом воздуха до 100 С и
практически
с
нулевой
влажностью
(
1-2 %). На выходе канала диаметром порядка 52 мм на петле хромель-копелевой
термопары с диаметром провода 0,2 мм подПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
вешивалась исследуемая капля. Скорость
обдува составляла uo = 2-6 м/с и направлялась снизу вверх, чтобы уравновесить силы
гравитации. Начальный диаметр капли был
равен 2-3 мм. Экспериментальные исследования адиабатического испарения одиночных
капель были проведены для бинарных водных
растворов этанола, метанола и ацетона.
Рисунок 1 - Схема исследовательского комплекса
обтекания воздушным потоком жидких капель
бинарной смеси:
1– воздушный канал, 2- прибор сбора и обработки сигналов термопар ( Модуль TermoLab-32);
3– термопары; 4– капля жидкости;
5– тепловизор с микронасадком;
6– персональный компьютер
Основные элементы установки и измерительной системы показаны на рисунке 1.
Исследования проведены с помощью тепловизора Thermo Tracer TH7102MV, которым
снималось изменение размеров капель и
55
ТЕРЕХОВ В.И., ШИШКИН Н.Е.
Температура, определяемая тепловизором,
0
С
температура поверхности в процессе эксперимента.
В процессе тепловизионных измерений
определялось изменение объѐма капель по
времени, а также температура на их поверхности. Типичный вид капель, получаемый в
опытах, представлен на фотографиях (рисунок 2).
30
20
10
Линия равных значений
0
на поверхности напротив термопары
минимальная на поверхности капли
-10
-10
0
10
20
30
0
Температура, измеренная термопарой, С
Рисунок 3 - Сопоставление показаний
термопары и температура, определяемая
с помощью тепловизора
0 сек
25
55
85
125
Высота капли, мм
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Диаметр капли, мм
Рисунок 2 - Вид капель воды и этанола
0
при температуре струи 21,6 С
Рисунок 4 - Форма капель в процессе испарения
Было сделано сравнение температуры,
измеряемой термопарой, на проволочной петельке которой подвешивалась капля, и температура, определяемая по тепловизионным
картинам. Как видно из рисунка 3, наблюдалось удовлетворительное совпадение между
этими измерениями.
Контуры испаряющихся капель (рисунок 4) оцифровывались, по ним определялось изменение объѐма, среднего диаметра
и интенсивность испарения жидкостей.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2.1. Интенсивность испарения капель
Экспериментальное исследование было
проведено во всем диапазоне изменения
концентраций компонентов смеси. Изучение
интенсивности испарения по уменьшению
диаметра капель показывает их практически
линейное снижение с течением времени (рисунок 5 – раствор воды и этанола) и (рисунок 6 – водный раствор ацетона).
При испарении раствора воды и метанола можно отметить три характерные группы
экспериментальных точек. Для низких значений концентрации метанола скорость изменения диаметра капель близка к случаю испарения чистой воды. При содержании метанола в исходном растворе порядка 40-70 %
опытные данные имеют тенденцию к группированию, а для чистого метанола скорость
испарения значительно возрастает.
Испарение капель, содержащих ацетон,
имеет несколько иной характер. Если до 20 %
уменьшение диаметра аналогично снижению
для капель воды, то дальнейшее увеличение
содержания легколетучей примеси ведет к
четкому расслоению опытных данных и росту
скорости испарения в несколько раз (рисунок 6).
Характер изменения диаметра капель по
времени на рисунках 5 и 6 близкий к линейному свидетельствует об ином механизме
56
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
d / d0
1.0
19%
0.9
0%
39%
0.8
Т, температура поверхности капли,
испарения чистых жидкостей, для которых
2
выполняется закон ―d ‖- (режим теплопровод3/2
ности) или ―d ‖- (режим с преобладанием
конвекции) [10,11].
0С
ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ ИСПАРЯЮЩИХСЯ КАПЕЛЬ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ
35
температура
минимальная
средняя
максимальная
30
25
20
15
10
58%
0
25
0.7
100%
75
74%
0.6
0.5
0
25
50
75
100
125
150
t, сек
Рисунок 5 - Изменение диаметра капель водного
раствора метанола
d/d 0
1.0
0.9
24%
18%
0.8
0%
0.7
72%
0.6
50
t, время испарения капли, сек
34%
100%
0
25
50
75
100
125
150
175
t, с
Рисунок 7 - Изменения минимальной, средней и
максимальной температуры на поверхности
0
капли метанола, uo = 3.8 м/с, To = 81.9 С
Важным параметром, определяющим
интенсивность тепломассообменных процессов при испарении капель, является изменение температуры ее поверхности с течением
времени. Результаты этих измерений показаны на рисунках 8 и 9. Температура поверхности в опытах была неравномерной, поэтому
при анализе результатов использовалось ее
минимальные значения. В экспериментах
были минимизированы тепловые потери от
капель за счет лучистой и кондуктивной составляющих, процесс испарения в соответствии со сделанными оценками можно считать
адиабатическим. Результаты расчетов температуры адиабатического испарения чистых
жидкостей представлены на рисунках 8 и 9
пунктирными линиями 1 и 2 для воды и метанола (ацетона) соответственно.
Рисунок 6 - Испарение капель водных растворов
0
ацетона (uo = 5.14 м/с, То = 80.5 С)
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
o
T min , C
0%
2.2. Температура на поверхности капель
Изучение температуры на поверхности
капель обнаружило еѐ неравномерность, как
это видно на рисунке 2. Поэтому в каждом
случае определялась гистограмма температуры. Фиксировались значения минимальной,
средней и максимальной температуры на поверхности. Изменение этих величин с течением времени показано на примере испарения капли метанола на рисунке 7. Неравномерность температуры может достигать 10 и
более градусов. Причем температурное поле
является нестационарным и проявляется как
для чистых жидкостей, так и растворов. Причины столь значительной неоднородности к
настоящему времени являются невыясненными и требуют более детального изучения.
25
1
19%
45%
39%
20
15
74%
10
2
100%
0
25
50
75
t, сек
100
125
Рисунок 8 - Минимальная поверхностная
температура капель смеси воды и метанола
57
ТЕРЕХОВ В.И., ШИШКИН Н.Е.
30
25
1
20
вода
18 %
34 %
72 %
ацетон
15
2
10
( T o - T min ) / ( T o - T ad, w )
o
T min , C
35
0%
19
39
58
74
100
1.24
1.20
1.16
1.12
1.08
1.04
1.00
5
0
25
50
75
100
125
150
0.96
175
t , сек
Для чистой воды результаты измерений
и расчета [10] совпадают между собой на
протяжении всего времени испарения. Для
чистого метанола и ацетона температуры в
начальные моменты времени также близки к
их значениям при адиабатическом испарении. Затем температура их поверхности начинает возрастать практически до температуры адиабатического испарения воды. Такое
поведение температуры не получило четкого
объяснения и требует более детальных исследований.
Для промежуточных значений концентраций компонентов наблюдается, как и следовало ожидать, постепенное повышение
температуры по мере испарения легкокипящих жидкостей. При этом для метанола T0
опытные данные выходят на уровень значений для чистой воды, а для ацетона– на
20-30 % выше, что также требует дополнительного анализа.
Результаты измерений температуры поверхности при испарении водных растворов
метанола и ацетона в относительной форме
представлены на рисунках 12 и 13. В качестве
масштабов здесь используются температуры
адиабатического испарении воды Tad,1 и температура газовой струи То в форме
θ = ( Tо – Tmin ) / ( Tо -Tad,1).
Рассматривая рисунки 10-13, можно
сделать вывод. Температура капель чистого
метанола и его смесей с водой остается ниже
температуры адиабатического испарения
чистой воды практически до полного высыхания капли. Тогда как для ацетона, его водные
растворы более интенсивно испаряются и
прогреваются в горячем воздушном потоке,
температура поверхности даже на несколько
градусов становится выше температуры капель воды.
0.92
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
t , сек
Рисунок 12 - Изменение безразмерной температуры при испарении смеси метанола с водой
1.40
( T o - T min ) / ( T o - T ad, w )
Рисунок 9 - Температура поверхности капель
0
смеси воды и ацетона (uо = 5.1 м/с, То = 78 С)
58
1.28
вода
18 %
34 %
72 %
ацетон
1.35
1.30
1.25
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
t , сек
Рисунок 13 - Безразмерная температура
испаряющихся капель воды с ацетоном
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При испарении водных растворов концентрация легколетучих компонентов снижается более интенсивно и изменение по времени диаметра капли имеет нелинейный характер.
Показана температурная неравномерность поверхности испаряющихся капель.
Выявлена сложная взаимосвязь вариации
состава и температуры на скорость испарения и значение температуры поверхности.
Опытные данные свидетельствуют о необходимости более детального исследования
процесса испарения и в первую очередь
диффузионного обмена внутри капли при наличии нестационарного поля температур. Необходимо также учитывать влияние средних
и турбулентных характеристик воздушного
потока на интенсивность испарения капли и
распределение параметров внутри неѐ.
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ ИСПАРЯЮЩИХСЯ КАПЕЛЬ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
d- диаметр капли;
do- диаметр капли в начальный момент;
T- температура, С;
t- время испарения, с;
uо- скорость набегающего потока, м/с;
Индексы:
о- параметры воздушного потока
1,w- вода;
2– легкоиспаряющаяся компонента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sazhin S.S., Advanced models of fuel droplet
heating and evaporation // Prog. Energy Comb. Sci.
2006. V.32. P. 162 - 214.
2. Ярин Л.П., Сухов Г.С. Основы теории горения двухфазных сред // Л., Энергоатомиздат. 1987.
240 С.
3. Birouk M., Gokalp I. Current status of droplet
evaporation in turbulent flows // Prog. Energy Comb.
Sci. 2006. V. 32. pp. 408 - 423.
4. Waheed M.A., Henschke M., Pfennig A. Mass
transfer by free and forced convection from single
spherical liquid drops // Int. J. Heat Mass Transfer.
2002. V.45. p.4507 - 4514.
5. Chebbi R., Selim M.S. The Stefan problem of
evaporation of a volatile component from a binary
liquid mixtures // Heat and Mass Transfer, 2006. V.
42. P. 238 – 247.
6. Lage P.L.C., Rangel R.H., Hackenberg C.M.
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
Multicomponent heat and mass transfer for flow over
a droplet // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1993. V.
34, No 14. pp. 3573 - 3581.
7. Sirignano W.A. Fuel dropler vaporization and
spray combustion theory // Prog. Energy Comb. Sci.,
1983. V. 9. P. 291 - 322.
8. Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Экспериментальное исследование температуры адиабатического испарения бинарных смесей жидкости // Труды 4 – ой Российской национальной конференции
по теплообмену, М.; Изд. МЭИ, 2006, т. 5, с. 183 –
186.
9. Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Адиабатическое испарение бинарных смесей жидкости на поверхности пористого шара // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т.16. № 2, с. 253 – 259.
10. Терехов В.И., Терехов В.В., Шишкин Н.Е.,
Би К.Ч. Экспериментальное и численное исследование нестационарного испарения капель жидкости// ИФЖ. 2010. т. 83. № 3.
11. Аггарвол С. К., Тонг А. И., Сириньяно В. А.
Сравнение различных методов расчета испарения
капель // Аэрокосмическая техника. 1985. Т. 3, №
7. С. 12 - 24.
Терехов В.И., д.т.н., проф.,
Шишкин Н.Е.,
Ин-т теплофизики им. С.С. Кутателадзе
СО РАН, Новосибирск,
тел. (8383)3306736, e-mail: terekhov@itp.nsc.ru
59