Теплоэнергетика, 2022, № 7, стр. 15-22

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ЭВОЛЮЦИИ ПАРОВОЙ ПЛЕНКИ

В контексте сформулированных Х. Фауске в [9] условий триггеринга парового взрыва, приведенных ранее, начальные опыты были посвящены исследованию паровой пленки. Они проводились на нагретых выше температуры предельного перегрева воды неподвижных твердых медных полусферах диаметром 10 мм как с чистой рабочей поверхностью, так и с покрытиями, укрепленных на цилиндрических державках и погруженных в воду на глубину 5 мм [13, 14], а также на полностью погруженных в недогретую до температуры насыщения воду сферах из нержавеющей стали диаметром 11–25 мм [15]. В этих опытах в модельных условиях, которые можно было воспроизводить с достаточной точностью, изучались характеристики паровой пленки, ее эволюция во времени. Особое внимание уделялось возможности и условиям кратковременного касания холодной жидкостью сильно перегретой поверхности.

Схемы установок и основная диагностическая аппаратура описаны в [13, 15]. Краткие итоги выполненных наблюдений следующие.

В зависимости от сочетания значений температур поверхности горячей полусферы и воды (недогрева до температуры насыщения) наблюдались различные сценарии эволюции паровой пленки, окружающей горячую полусферу: от мелкомасштабных возмущений типа ряби или перемещающихся по довольно замысловатым траекториям изолированных паровых пузырьков до бегущих либо стоячих гармонических волн, амплитуда которых могла быть сравнимой (и это очень существенный факт) с толщиной паровой пленки. По-видимому, эти волны возникают под действием реактивных сил, сопровождающих поток испаряющейся жидкости с межфазной поверхности “паровая пленка – жидкость”. Эволюция пленки заканчивалась переходом к режиму пузырькового кипения. Характер перехода сильно зависел от состояния твердой поверхности и условий смачивания.

Толстые малотеплопроводные покрытия [в частности, напыленный слой Al₂O₃ толщиной более 0.1 мм с коэффициентом теплопроводности 1.4 Вт/(м · К)] обеспечивали появление “холодных” смоченных пятен и спокойный сход паровой пленки (первый предельный случай). Паровая пленка была устойчивой и в другом предельном случае ‒ чистой медной поверхности, гасящей любые локальные “провалы” температуры, связанные с приближением холодной жидкости к горячей поверхности сферы. Спокойный сход паровой пленки наблюдался и при малых недогревах воды до температуры насыщения, когда толщина паровой пленки была значительной [10, 16]. В подавляющем большинстве случаев, в том числе и на окислившейся естественным путем на воздухе медной поверхности (толщина оксидного слоя 0.10–0.15 мм), в ходе эволюции волнистых паровых пленок наблюдались взрывные выбросы в объем жидкости струй пара: одиночные, групповые, повторяющиеся во времени. Эти выбросы сопровождались импульсами давления разной интенсивности и звуковыми эффектами (щелчками, шипением типа сопровождающего кавитацию в аппаратах). Следует отметить, что по условиям эксперимента паровая пленка вблизи границы полусферы сообщалась с атмосферой. Это, несомненно, демпфировало интенсивность генерируемых гидродинамических и акустических эффектов. Следует отметить (и это очень важно), что в ходе экспериментов возможность кратковременного касания холодной жидкостью сильно перегретой металлической поверхности была зафиксирована инструментально. Методика и анализ этих экспериментов описаны в [10, 14].

В опытах [15] сферы диаметром 11–25 мм были полностью погружены в воду. Сами сферы, в отличие от [13], были выполнены не из меди, а из нержавеющей стали, что усиливало неравновесность переходных процессов. Возмущения (рябь, видимое глазом помутнение поверхности паровой пленки) первоначально возникали в нижней части исходно спокойной паровой пленки. Они нарастали со временем (полное характерное время процесса составляло сотни миллисекунд), приобретали неупорядоченную хаотическую трехмерную структуру, нередко имели форму бегущих пузырей. Скорость перемещения элементов такой структуры по поверхности сферы составляла 200–250 м/с.

Таким образом, модельные опыты с твердыми сферами подтвердили реализацию первого и второго условий Х. Фауске, суть которых состоит в том, что при контакте горячих частиц, имеющих температуру выше точки гомогенного зародышеобразования холодной жидкости (сама холодная жидкость существенно недогрета до температуры насыщения), на поверхности этих частиц возникает неустойчивая паровая пленка, эволюция которой сопровождается ее разрушением и созданием возможности локального кратковременного контакта этих двух жидкостей и резкого, интенсивного образования паровой фазы.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ОДИНОЧНЫМИ КАПЛЯМИ РАСПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ

Описанные в этом разделе опыты с одиночными каплями расплавов металлов, падающими в холодную воду, выявили картину волнообразования на поверхности паровой пленки, в целом аналогичную той, что наблюдалась в экспериментах с модельными твердыми образцами.

Серии опытов проводились с падающими в холодную воду одиночными каплями расплава различных веществ: олова, свинца, припоя ПОС-61 (61% Sn + 39% Pb), сплава Вуда (12.5% Sn + + 25% Pb + 50% Bi + 12.5% Cd), сплава Розе (25% Sn + 25% Pb + 50% Bi), соли NaCl [17]. Фиксировалось наличие или отсутствие спонтанного микропарового взрыва на одиночной капле как такового, а далее изучалась возможность реализации триггеринга вскипания “цепного типа”, когда спонтанное резкое вскипание теплоносителя на одной капле возбуждает аналогичный процесс на соседних фрагментах, приводя всю совокупность капель к тонкой фрагментации и последующему паровому взрыву.

Следует отметить, что в подавляющем большинстве описанных в литературе лабораторных экспериментов по паровому взрыву прибегали к использованию внешнего триггеринга: резкому перемещению поршня, разрыву диафрагмы, разделяющей рабочий объем и емкость с высоким давлением, “электрическому” взрыву проволочки и другим подобным методам. Экспериментальные наблюдения развития спонтанной тонкой фрагментации капель горячей жидкости и последующего парового взрыва единичны [7, 10].

В ОИВТ РАН такие эксперименты проводились на установке, изображенной на рис. 1. В последующем эта же установка, но с измененной (двухполостной) конструкцией тигля – генератора капель использовалась при изучении процесса передачи возбуждающего тонкую фрагментацию импульса от одной капли к другой.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки. 1 – емкость с дистиллированной водой (530 × 250 × × 230 мм); 2 – графитовый тигель – генератор капель; 3 – индуктор; 4 – высокоскоростная видеокамера; 5 – фонари подсветки; 6 – датчик давления; 7 – электрический водонагреватель; 8 – механизм подъема графитовых стержней

Капли расплава исследуемого вещества падали в холодную дистиллированную воду, имевшую заданную температуру, с высоты 50–70 мм. Капли с требуемой температурой получались в графитовом тигле (в отдельных случаях в атмосфере инертного газа) с помощью высокочастотного индуктора ВЧ-15АВ. Тигель имел форму параллелепипеда размерами 23 × 33 × 35 мм. Размер капель определялся массой загружаемого исследуемого материала. Тигель мог иметь одну или две цилиндрические полости диаметром 10 мм с расстоянием между осями полостей 13 мм. Типичная масса загружаемого в каждую полость двухполостного тигля материала составляла 1–2 г и могла достигать 5.5 г в однополостном тигле. В нижней части полостей имелись сквозные отверстия диаметром 4 мм, закрытые до момента подачи жидкой капли в емкость с водой графитовыми цилиндрическими стержнями с коническими торцами. Температура в теле тигля и воды в емкости измерялась хромель-алюмелевыми термопарами и поддерживалась на заданном уровне с помощью вспомогательного электрического нагревателя. На боковой стенке емкости имелось стеклянное смотровое окно для видеосъемки процесса, которая осуществлялась скоростными видеокамерами Phantom v2012 или Phantom VEO 410s с частотой кадров до 180 кГц и временем экспозиции до 2 мкс. Циклическая запись результатов съемки осуществлялась в оперативную память камеры. На стенке емкости с водой на удалении около 20–30 мм от места ожидаемого взрыва капли был установлен высокочастотный пьезоэлектрический датчик давления PCB 113B24 с резонансной частотой более 500 кГц.

На этой установке были проведены опыты с использованием расплавленных капель свинца, олова, припоя ПОС-61, сплавов Вуда и Розе, соли NaCl. Из нескольких десятков экспериментов, проведенных с металлами и их сплавами, спонтанный взрыв наблюдался лишь дважды в опытах со сплавом Розе и несколько раз с неокисленным оловом, причем при ударе капли олова о днище сосуда, т.е. фактически в условиях внешнего триггеринга. Единственным веществом, капли которого спонтанно взрывались практически со 100%-ной вероятностью, была соль NaCl [17]. Это происходило при температуре капель расплава t_NaCl = 850–1100°С (температура плавления NaCl – 801°С) и температуре воды менее 70°С. По-видимому, р-ешающую роль в обеспечении практически 100%-ной вероятности взрыва играет высокая растворимость соли в воде, приводящая к улучшению взаимного проникновения частиц растворителя и растворяемого вещества.

В то же время “гарантированное” наступление спонтанного парового взрыва позволило сосредоточить внимание на отдельных деталях процесса спонтанного триггеринга, прежде всего на передаче возбуждающего процесс импульса с одной капли на другую. С этой целью на установке (см. рис. 1) были использованы графитовые тигли с двумя сквозными отверстиями, обеспечивающими одновременную генерацию двух капель горячей жидкости. Типичная картина эволюции и последовательности взрывов капель иллюстрируется в приложенном к статье видео²² № 1, кадры из которого представлены на рис. 2. Как правило, капли поступали в емкость с недогретой до температуры насыщения водой не одновременно, а с временным интервалом 20–50 мс. Размер капель варьировался изменением массы NaCl. Типичный размер капель составлял 10–15 мм. После входа в воду капли могли разделиться на две-три части, которые существовали независимо либо повторно сливались воедино. После входа в воду капли покрывались паровой оболочкой (см. рис. 2, а). Общий объем композиции “расплав соли – пар” примерно в 2 раза превышал объем содержавшейся в нем соли. Тонкую структуру такой композиции определить было невозможно с помощью имевшегося диагностического оборудования, что оставляет определенную свободу для фантазии при феноменологическом описании явления, особенно с учетом хорошей растворимости соли в воде.

Рис. 2.

Спонтанный паровой взрыв капель расплава NaCl в воде (t_в = 23°С, t_NaCl = 910°С). Экспозиция – 10 мкс. Размер кадров 44 × 40.5 мм. Белой стрелкой отмечено место триггеринга, черной стрелкой – кратковременная световая вспышка. а – момент самопроизвольного триггеринга на первой капле; время от кадра а, мкс: б ‒ 60; в ‒ 100; г ‒ 380

Инкубационный период до начала спонтанного триггеринга тонкой фрагментации капли соли и парового взрыва составлял десятки миллисекунд, иногда доходя до нескольких сот миллисекунд. Какой-либо зависимости продолжительности инкубационного периода от сочетания температур расплава соли и воды в емкости не прослеживалось. Наличие той или иной системы не наблюдалось и в очередности взрыва капель: капля, поступившая в воду позже, могла взорваться первой. Две капли, имевшие своим источником единую распавшуюся “материнскую” каплю, также взрывались не одновременно, а с произвольной очередностью.

Триггеринг начинался с локального возникновения и развития волн на поверхности композиции “расплав соли – пар”. Картина в большой степени напоминала наблюдавшуюся на твердых модельных образцах, описанную ранее. Затем появлялось характерное короткоживущее (в течение одного кадра видеосъемки, т.е. не более 20 мкс) локальное светящееся пятно (указано белой стрелкой) характерным размером примерно 1 мм, которое может быть связано с кавитационной люминесценцией [18]. На рис. 2, б это пятно указано черной стрелкой. Далее следовал микропаровой взрыв. В опытах авторов настоящей статьи наличие такого пятна прослеживалось в начале микровзрыва всех капель. Упоминания о пятне имеются также в обзоре [1]. При экспериментальных наблюдениях указанное пятно может служить своего рода индикатором процесса спонтанного триггеринга.

Микропаровой взрыв капли сопровождался всплеском давления в несколько десятых мегапаскаля (несколько атмосфер), фиксировавшимся датчиком давления (рис. 3). Типичная скорость нарастания давления на переднем фронте акустической волны составляла около 0.01 МПа/мс. Через 100–130 мкс эти же процессы повторялись на второй капле (см. рис. 2, в). Временная пауза между этими двумя микровзрывами (время передачи импульса давления) хорошо коррелирует со значением скорости звука в воде.

Рис. 3.

Характерное изменение избыточного давления в воде в процессе парового взрыва на каплях расплава NaCl (t_в = 19°С, t_NaCl = 1100°С)

На рис. 4 процесс передачи импульса приведен для комбинации капель с другой температурой расплава соли. В целом картина процесса повторилась.

Рис. 4.

Спонтанный паровой взрыв двух капель расплава NaCl в воде (t_в = 18°С, t_NaCl = 980°С). Экспозиция – 18.7 мкс. Размер кадров 40 × 30 мм. Белыми стрелками отмечены места триггеринга на каплях. а – момент самопроизвольного триггеринга на первой капле; время от кадра а, мкс: б ‒ 380; в ‒ 1380; г ‒ 1980

Интересно отметить один весьма любопытный факт. Ранее говорилось, что попавшая в воду капля расплава зачастую делилась на несколько частей, находившихся по соседству, которые могли повторно сливаться и образовывать структуры как правильной, так и довольно причудливой формы. В этом случае “цепная” передача триггеринга по поверхности такой структуры, как правило, также сопровождалась чередой световых вспышек (это явление иллюстрируется приложенным видео № 2 и рис. 5).

Рис. 5.

Паровой взрыв на струе расплава NaCl в воде (t_в = 50°С, t_NaCl = 1100°С). Экспозиция – 4.7 мкс. Размер кадров 45.1 × 55.5 мм. Белой стрелкой отмечено место триггеринга, черными стрелками – кратковременные световые вспышки. На заднем плане виден датчик давления с элементом крепления на стенке (см. поз. 6 на рис. 1). а – момент самопроизвольного триггеринга на первой капле; время от кадра а, мкс: б ‒ 55; в ‒ 88; г ‒ 99

Таким образом, в лабораторных условиях удалось зафиксировать некоторые детали самопроизвольного триггеринга и передачу возбуждающих процесс парового взрыва эффектов от одного горячего фрагмента к другому, т.е. в какой-то мере воспроизвести элементарный акт цепной реакции. Однако всегда нужно отдавать себе отчет, что паровой взрыв – это стохастическое явление, где роль масштабного фактора очень велика, и далеко не все происходящее в реальных условиях может быть воспроизведено и реализовано в лабораторных экспериментах.

ВЫВОДЫ

1. Представлены результаты экспериментальных исследований спонтанного триггеринга парового взрыва, полученные в лабораторных условиях взаимодействия капель расплава соли NaCl с холодной водой (получены впервые).

2. Спонтанному триггерингу парового взрыва предшествуют развитие сильных, неупорядоченных, трехмерных возмущений паровой пленки, образующейся на горячих фрагментах на этапе предварительного перемешивания, и разрушение этой пленки.

3. Существует множество моделей, описывающих подпроцесс тонкой фрагментации горячих фракций, среди которых сегодня трудно указать наиболее вероятную. По-видимому, этот факт – следствие реально существующего многообразия вариантов данного подпроцесса.

4. В некоторых случаях, например при взаимодействии капель расплава NaCl с водой, спонтанный триггеринг парового взрыва и передача возбуждающих спонтанное взрывное парообразование холодной жидкости импульсов от одного горячего фрагмента к другому могут быть воспроизведены в лабораторных условиях.

5. Спонтанный триггеринг сопровождается характерным ростом давления и люминесцентными вспышками.