Гистерезис теплообмена при кипении бинарных смесей жидкостей

Введение. Статья посвящена изучению динамики нагрева при кипении бинарных смесей в большом объеме. Цель данной работы — экспериментально исследовать гистерезис по тепловому потоку при кипении бинарных смесей жидкости.

Материалы и методы. Эксперименты проводились на цилиндрическом нагревателе, который служил термометром сопротивления и датчиком выделяемой мощности. Нагрев производился квазистационарным методом. Объектом исследования были бинарные водные смеси жидкостей.

Результаты исследования. Результатом экспериментов стало получение кривых кипения при насыщенном и ненасыщенном кипении. На полученных кривых нагрева и охлаждения наблюдаются несколько характерных областей. Первая, где в жидкости теплообмен осуществлялся при помощи конвекции, и вторая — область пузырькового кипения, где обнаруживается гистерезис по тепловому потоку. Вскипание жидкости сопровождалось возникновением шума и «скачком» средней температуры поверхности нагрева. На кривой α(Т_ст) выявлен гистерезис теплоотдачи. Кривая нагрева проходит всегда ниже, чем кривая охлаждения. То есть при заданной температуре нагревателя коэффициент теплоотдачи всегда будет больше при охлаждении, чем при нагреве. Этот факт был обнаружен как при однократном, так и при многократных нагревах и охлаждениях. Кривая кипения — это две синхронно полученные в одном эксперименте зависимости q(Тст) и α(Тст). На кривой кипения обнаружен гистерезис коэффициента теплоотдачи при нагреве и охлаждении нагревателя.

Обсуждение и заключения. Наряду с гистерезисом по тепловому потоку кипящих смесей впервые обнаружен гистерезис коэффициента теплоотдачи. Причиной гистерезиса по тепловому потоку являются разные значения теплоотдачи на кривой нагрева и кривой охлаждения при любой заданной Тст. Динамика нагрева показывает, что кривая нагрева, как для тепловых потоков, так и для коэффициента теплоотдачи, проходит всегда при более низких значениях этих величин (q и α), чем кривая охлаждения.

1. Van Wijk, W.R. Heat transfer to boiling liquid mixtures/ W.R. Van Wijk, A. S. Vos, S.J.D. van Stralen// Chem. Eng. Sci, — 1956. — Vol. 5 — P. 6880.

2. Lykov, E.V. Thermoacoustick effects in surface boiling liquids/ E.V. Lykov// Int. J. Heat Mass Transfer. — 1972. — Vol. 15. — P. 1603-1614.

3. Романов, В. В. Связь между скоростью испарения и критической плотностью теплового потока кипящих бинарных смесей жидкостей/ В. В. Романов // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2012. — №4(65). — С. 56–60.

4. Reddy, R.P. The peak boiling heat flux in saturated ethanol-water mixtures/ R.P. Reddy, J.H. Lienhard //ASME Journal of Heat Transfer 1989. Vol. 111. P, 480 486.

5. Ковалев, С. А. Кризис кипения. Две конкурирующие идеи // С. А. Ковалев, С. В. Усатиков / Труды шестой Российской национальной конференции по теплообмену. — Москва : Издательский дом МЭИ, 2014. — С. 566–569.

6. Osborne, M.F.M. The acoustical concomitants of cavitation and boiling produced by a hot wire/ M. F. M. Osborne, F.M. Holland// J. Acoust. Soc. Am. — 1954. —Vol. 19(1). —P. 13-29.

7. Лыков, E. B. Переходные процессы и теплоакустические эффекты при поверхностном кипении жидкости / Е. В. Лыков, А. Г. Синецкая // Инженерно-физический журнал. — 2005. — Т. 78, № 4, — С. 22–26.

8. Кожокару, В. В. Кризис теплоотдачи и критический тепловой поток при нагреве кипящих жидкостей / В. В. Кожокару, Е. В. Лыков // Авиакосмические технологии (АКТ-2015): Труды XVI Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. — Воронеж, 2015. —С.148–153.

9. Кожокару, В. В. Исследование критической плотности теплового потока при квазистационарном нагреве поверхностно кипящих бинарных смесей / В. В. Кожокару, В. В. Лыков// Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2015. — №1(80). — С.48–53.

10. Афанасьев, С. Ю. Исследование теплообмена при недогретом пузырьковом кипении в условиях стабилизации температуры проволочного нагревателя / С. Ю. Афанасьев, С. А. Жуков, С. Б. Ечмаев // Теплофизика высоких температур. — 1996. — Т. 34, №4. —С. 583–589.