Эксперимент по кипению He-II на цилиндрическом нагревателе внутри пористой структуры  *

П.В. Королев, И.А. Ячевский

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

Рассматривается задача о росте пленки пара на поверхности цилиндрического нагревателя радиусом R_w, который погружен в жидкость на глубину h. При подаче тепловой нагрузки q_w на поверхности образуется паровая пленка размера R₁. Над свободной поверхностью поддерживается постоянное давление P_b. В данном случае температура жидкости соответствует температуре насыщения при давлении P_b и находится ниже температуры λ-перехода (рис. 1).

Рис. 1. Объект исследования.

Для исследования пленочного кипения He-II на цилиндрическом нагревателе, на базе кафедры Низких температур НИУ МЭИ собран экспериментальный стенд (рис. 2), включающий в себя систему криостатирования, систему заливки рабочего тела, систему оптического наблюдения и видеозаписи, систему подачи тепловой нагрузки и измерения режимных параметров эксперимента.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 – экспериментальная ячейка; 2 – подвес;
3 – гелиевый сосуд Дьюара; 4 – азотный сосуд Дьюара; 5 – манометр ртутный;
6 – насос вакуумный; 7 – азотная ловушка; 8 – термостат с шугой;
9 – термопара внутри экспериментальной ячейки.

Криостат, позволяющий обеспечить необходимый уровень температур (ниже 2.17 К), состоит из двух стеклянных сосудов Дьюара разных диаметров. со смотровой щелью шириной 20 мм по всей длине, что позволяет проводить визуальное наблюдение процесса кипения в экспериментальной ячейке (рис. 3).

Рис. 3. Оборудование экспериментального стенда: 1 – емкостный датчик давления «Баратрон»,
2 – сосуд Дьюара с измерительной линейкой, 3 – камера для видеосъемки «PixeLINK»,
4 – ртутный чашечный манометр МЧР-4

Ячейка (рис. 4) представляет собой цилиндрическую оболочку с внутренним диаметром 38 мм, изготовленную из меди с расположенным по оси оболочки цилиндрическим нагревателем (рис. 5-6), который крепится на Г-образном металлическом держателе в торцевой крышке. Пористая структура помещена внутрь корпуса ячейки и припаяна к нему изнутри.

Пористая структура представляет собой толстостенную оболочку, которая получена путём наматывания десяти слоев тканой металлической сетки (диаметр основы – 0.12 мм и диаметр плетения – 0.44 мм). Варьируя толщину оболочки из тканой сетки в разных экспериментах можно добиться стационарного состояния паровой пленки при различных величинах тепловой нагрузки с нагревателя [1].

Рис. 4. Схема экспериментальной ячейки: 1 – корпус, 2 – держатель нагревателя,
3 – патрубок с уплотнением-изоляцией в отверстии для держателя нагревателя,
4 – стекло заднего смотрового окна, 5 – фиксирующая стекло крышка, 6 – передняя крышка,
7 – стекло переднего смотрового окна, 8 – пористая оболочка,
9 – полый металлический шток, 10 – нагреватель, 11 – задняя крышка.

Рис. 5. Схема нагревателя (вариант 1)

Рис. 6. Схема нагревателя (вариант 2)

Анализ результатов эксперимента

Проводились две серии экспериментов: с герметично закрытыми торцевыми стеклами и со снятыми стеклами (рис. 7).

Рис. 7. Кадры видеозаписи экспериментов.

В экспериментах с закрытыми стеклами при подаче тепловой нагрузки на поверхности нагревателя сначала образуются визуально различимые объекты, похожие на паровые микропузырьки. Затем, увеличение объема, занимаемого паровой фазой, приводит к образованию паровой пленки с видимой межфазной поверхностью пар-жидкость (рис. 8). Видимое поперечное сечение пленки пара принимает каплеобразную форму, которая затем превращается в перевернутую колоколообразную.

Фактически паровая пленка представляет собой прогиб межфазной поверхности жидкость-пар во внутренней полости ячейки, аналогично задачам об определении формы межфазной поверхности в существенно неравновесных условиях [2, 3] с той разницей, что в наших экспериментах нет свободного зеркала жидкости, и все процессы тепломассопереноса происходят во внутренней полости пористой оболочки [4].

Рис. 8. Кипение с разомкнутой паровой пленкой при закрытых торцевых крышках
(при тепловом потоке около 8.7•10³ Вт/м², d = 3 мм)

В других экспериментах стекла с торцевых крышек экспериментальной ячейки были сняты. В этих случаях кипение с разомкнутой пленкой пара наблюдалось при относительно больших глубинах погружения и больших значениях теплового потока с нагревателя (5•10⁴ Вт/м²). Характерный вид цилиндрического нагревателя с торца с пленкой пара вокруг него представлен на рис. 9.

Рис. 9. Кипение с замкнутой паровой пленкой при открытых торцевых крышках
(при тепловом потоке около 2•10⁴ Вт/м², d = 4 мм)

При малых глубинах погружения на нагреватель подавалась меньшая нагрузка, и наблюдалось кратковременное кипение с целостной паровой пленкой (рис. 10).

В обоих вариантах опыта сразу после включения нагревателя, еще до начала кипения любого типа, давление в сосуде Дьюара начинало довольно быстро возрастать, что влекло за собой и рост температуры насыщенного жидкого гелия. Затем наблюдалось кратковременное шумовое пленочное кипение, после чего замкнутая паровая пленка «раскрывалась» и имел место режим «с незамкнутой паровой пленкой» Таким образом, происходил срыв «обычного» шумового пленочного кипения Hе-II.

Рис. 10. Кипение с разомкнутой паровой пленкой при открытых торцевых крышках
(при тепловом потоке около 2•10⁴ Вт/м², d = 4 мм)

Заключение

Выводы по результатам эксперимента:
При снятых торцевых стеклах наблюдается два режима:
- шумовое пленочное кипение с замкнутой пленкой
- кипение «с незамкнутой пленкой».

При наличии стекол на торцевых крышках ячейки существовал исключительно режим кипения «с незамкнутой пленкой». Очевидно, что в экспериментальной ячейке реализуются условия для шумового пленочного кипения. При этом относительная близость стенки пористой оболочки позволяет всплывающей паровой пленке коснуться пористой структуры в области над нагревателем, что приводит к образованию там парового объема, который растет и вытесняет жидкость из внутренней полости экспериментальной ячейки.

Литература

1. П.В. Королев, А.П. Крюков, Ю.Ю. Пузина Конструкция экспериментальной ячейки для исследования кипения гелия-II в условиях невесомости. // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ, 2012. – Т. 130, №.5 C.43-50.
2. А.В. Клименко, А.Г. Синицын Плавание сферы с температурой, превышающей температуру предельного перегрева жидкости // Тр. Моск. Энерг. ин-та. 1984. Вып. 34. С. 104–112.
3. В.С. Григорьев, В.Г. Жилин, Ю.А Зейгарник, Ю.П. Ивочкин и др. Поведение паровой пленки на сильно перегретой поверхности, погруженной в недогретую воду // ТВТ. 2005. Т. 43, №1. С. 100–114.
4. П.В. Королев, А.П. Крюков, Ю.Ю. Пузина Экспериментальное исследование кипения сверхтекучего гелия (He-II) внутри пористого тела. // Прикладная механика и техническая физика. 2017. Т. 58. № 4. С. 126-134.

Эта страница оформлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
(проект №17-08-00805).

———————————————————

* Королев П.В., Ячевский И.А. Эксперимент по кипению He-II на цилиндрическом нагревателе внутри пористой структуры // Тезисы III Всероссийской научной конференции "Теплофизика и физическая гидродинамика" с элементами школы молодых ученых. – г. Ялта, Республика Крым, 10-16 сентября 2018 г. – Н.: Издательство теплофизики СО РАН, 2018. С. 94.