ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Опыты проводились на горизонтальной обогреваемой поверхности из нержавеющей стали, покрытой структурой фитиля. В настоящем исследовании структура фитиля представляла собой слой незакрепленных частиц из монеля, которые удерживались с помощью сетки для предотвращения их движения. В качестве рабочей жидкости использовалась вода, причем фитиль был затоплен, т. е. уровень воды превышал верхнюю поверхность слоя фитиля. В опытах измерялись тепловой поток, температура обогреваемой поверхности и температура внутри материала фитиля. Установка была спроектирована для работы в диапазоне давлений от 1 до 21 ата. Все данные, приведенные в работе, получены при атмосферном давлении.
Схема установки показана на фиг. 1. Поверхность нагрева была изготовлена из целой болванки нержавеющей стали типа 304 в форме колодца, открытого сверху, с размерами приблизительно 102 х 102 мм и высотой 140 мм. В основании колодца был выфрезерован квадратный блок глубиной 25,4 мм, образующий поверхность теплообмена размером 59 X 59 мм. К этому блоку серебряным припоем припаивался медный блок толщиной 25,4 мм, внутри которого располагались четыре нагревателя в гильзах. В основании блока из нержавеющей стали были установлены восемь термопар для измерения градиентов температур. Стальной и медный блоки тщательно изолировались. Вся сборка размещалась в герметичном сосуде, полностью заполненном паром. Пар, генерируемый в пористом слое, дросселировался до атмосферного давления, конденсировался и собирался в коллекторе.
Значения температур в блоке из нержавеющей стали, паровом пространстве, фитиле и жидкости записывались на диаграммной ленте самописца, пока не достигалось стационарное состояние, а затем производились измерения с помощью прецизионного потенциометра. Кроме того, измерялись мощность, подводимая к нагревателям, и расход конденсата. Температуры поверхности (на границе между блоком из нержавеющей стали и фитилем) определялись экстраполяцией значений температур, измеренных в блоке, на эту поверхность. Измерение градиентов температур в блоке также позволяло определять тепловой поток.
Значения температур, измеренных в блоке из нержавеющей стали для одной серии опытов, показаны на фиг. 2. Распределение температур оказалось близким к линейному. Поэтому путем обработки опытных данных по методу наименьших квадратов можно было найти начальную ординату и наклон соответствующей прямой, который дает величину теплового потока. На фиг. 3 показано сравнение теплового потока на поверхности, определяемого по градиенту температуры в блоке и измеренного по подводимой мощности к нагревателям. Отсюда можно сделать вывод, что тепловой поток и температуры поверхности в опытах определялись с достаточной точностью.
Некоторые опыты были проведены в условиях нормального кипения жидкости в большом объеме (без структуры фитиля). Результаты этих опытов сопоставлялись с расчетом по обобщенной зависимости Розенау [6] (фиг. 4). Многими исследователями отмечалось влияние старения теплоотдающей поверхности на теплоотдачу.
Тепловой поток, рассчитанный по подводимой мощности (ккал/мг-час): кривая 7 — 10 500, кривая 2 — 26 600, кривая 3 — 44 700, кривая 4— 93 000.
В проведенных в дальнейшем опытах существенного изменения не было обнаружено. Не было замечено и какого- либо видимого изменения состояния поверхности.
В данной работе структура фитиля состояла из слоев частичек из монеля. Частички имели форму,- близкую к сферической; их размер 20—200 меш. Шарики сепарировались по фракциям с помощью стандартных сит, используемых в США. Наиболее характерные данные для различных размеров шариков приведены в табл. 1 на стр. 15.
После тщательной очистки заполнение слоев происходило путем засыпки шариков под воду при легком встряхивании слоя. Было найдено, что при таком способе образования слоя его характеристики легко воспроизводятся при повторных заполнениях, а также при использовании в других установках при измерении проницаемости и подъема жидкости в капиллярах. Таким образом, шарики в фитиле строго не фиксировались, но во всех случаях они удерживались ограничивающей сеткой, предотвращавшей их движение под воздействием сил, вызываемых потоком пара.
Все опыты проводились с затопленными шариками, т. е. уровень воды превышал верхнюю поверхность слоя.
В первых сериях опытов было обнаружено очень слабое влияние уровня жидкости на результаты, и все последующие данные были получены для уровня жидкости, равного 76 мм. Результаты некоторых опытов для шариков; 30—40 меш приведены на фиг. 5, а для шариков 40— 50 меш показаны на фиг. 6. В каждом опыте последняя опытная точка (относящаяся к самому высокому значению теплового потока) соответствует максимальному тепловому потоку, который может быть достигнут при стационарном состоянии для исследованного диапазона температур поверхности. Дальнейшее небольшое увеличение теплового потока приводит к резкому возрастанию температуры поверхности, что вызывает необходимость отключения нагревателей.
Следующий ниже анализ основан на использовании двух независимо измеряемых параметров, которые характеризуют пористую структуру фитиля. Это проницаемость, которая характеризует сопротивление потоку жидкости, и капиллярное поднятие жидкости, которое является легко определяемой мерой действия капиллярных сил.
Данные по проницаемости слоев, образованных описанным выше методом, шариков из монеля были получены в работе [3] и приведены на фиг. 7. Проницаемость определялась следующим образом:
Высота подъема жидкости в капилляре Н для одиночного капилляра, радиус которого настолько мал, что поверхность жидкости можно принять частью сферы, равна
Аналогичное выражение можно записать для пористой структуры фитиля, если в качестве R принять эффективный радиус поры. В пористой структуре фитиля из-за переменного радиуса пор могут быть измерены два различных значения высоты подъема жидкости в капилляре: значение при подъеме (первоначально сухой слой) и значение при опускании (первоначально пропитанный слой). Это явление называется капиллярным гистерезисом [3, 5. Тепловые трубы и установка, используемая в настоящем исследовании, работают, когда слой первоначально пропитывается жидкостью; поэтому для настоящего анализа представляет интерес только значение при опускании, которое мы будем называть равновесным капиллярным поднятием.
Тонкий слой шариков поддерживался с помощью сетки вблизи верхней части длинной стеклянной трубки.
Эта трубка в свою очередь помещаласьво вторую стеклянную трубку большего диаметра, первоначально заполненную водой выше уровня слоя и сообщающуюся в основании с внутренней трубкой. Далее вода из внешней трубки медленно вытекала так, что во внутренней трубке образовывался столб воды, удерживаемой капиллярными силами в слое. В конечном итоге этот столб жидкости отрывался от слоя шариков и его высота принималась за равновесное капиллярное поднятие.
Высота столба воды, удерживаемого за счет действия капиллярных сил в слое, как описано выше, определяется наибольшим минимальным диаметром поры в слое.
При беспорядочном расположении шариков в слое некоторые из них располагаются в кубические решетки, образуя наибольший минимальный диаметр поры. Лыков [51 определил, что этот диаметр равняется 0,41DP. Для этого случая уравнение (3) можно представить в зависимости от диаметра частицы в таком виде:
Расчет по уравнению (6) наряду с данными для шариков из монеля и стекла показан на фиг. 8. Хорошее соответствие расчетных и опытных данных подтверждает справедливость приведенных выше соображений и, кроме того, показывает, что значительное количество шариков в слое располагается в кубической решетке.
