О дроблении пленки водного конденсата в парогазовом потоке в присутствии сильного электрического поля

Кулешов П.С. (KuleshovPS@yandex.ru) (1), Маношкин Ю.В. (1) (1) Московский физико-технический институт (ГУ)

1.Введение

В различных технических приложениях возникает потребность создания субмикронного монодисперсного аэрозоля, например: струйная печать, визуализация газовых потоков, покраска поверхностей и т.д. Один из путей решения этой задачи заключается в воздействии сильного электрического поля на пленку конденсата. В данной работе описаны эксперименты по получению субмикронных монодисперсных зародышей аэрозоля, указаны некоторые возможности по управлению характеристиками зародышей, дано качественное объяснение наблюдаемых явлений, проведено сравнение оценок с экспериментом.

2.Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки для горизонтального варианта расположения сопла представлена на рис.1. Через сопло в окружающую среду из нагреваемого сосуда объемом 8л содержащего 1-1,5л воды прокачивалась паровоздушная смесь при температуре до 1100C. Давление в сосуде было стационарным и, в зависимости от интенсивности нагрева, принимало значения p = 1-1,7атм. Сопло представляло собой стеклянный цилиндрический насадок с длиной внешней охлаждаемой части L = 20мм, внутреннего радиуса внутр = 0,5мм. Оно помещалось в электростатическое поле кольцевого электрода с собственным потенциалом до ф0 = 22кВ. Кольцевой электрод (радиус кольца гк = 5мм, толщина проволоки йк = 0.5мм) был электроизолированным (для подавления коронирования) и располагался на расстоянии r = 1 см от сопла.

Нами измерялись полные массовые расходы воды для различных давлений в сосуде (рис.2). Сбор сконденсировавшейся жидкости осуществлялся с помощью большого сосуда, сообщающегося с внешней атмосферой, а потому дававшего лишь приблизительные параметры истекающей струи пара. По показаниям манометра в сосуде контролировалось внутреннее давление. Температура окружающей среды в локальных точках пространства определялась цифровым измерителем типа Center 310. Потенциал электрода относительно земли измерялся киловольтметром типа С-96.

Динамика пленки конденсата в капилляре наблюдалась через цифровой микроскоп, состоящий из: оптического микроскопа со 100-кратным увеличением; цифровой камеры Scopetek DCM35 с разрешением 640x480. Данные с цифровой камеры в реальном режиме времени выводились на монитор ПК.

3.Описание экспериментов

При пропускании нагретой парогазовой смеси через сопло на его стенках в виде пленки осаждался водный конденсат. Конденсирующаяся пленка, натекала на край капилляра, откуда уносилась потоком. Эксперименты по дроблению пленки конденсата проводились при различных внешних температурах. Для всех режимов изучалось влияние электростатического поля на интенсивность дробления и на размеры образующихся фрагментов пленки (последние являлись зародышами конденсата). Размеры зародышей, по причине их малости, невозможно было измерить в эксперименте, но некоторую косвенную информацию о них можно получить по размерам сконденсировавшихся на них капель (см. п.5). Определение размера капель на

расстоянии 10см от сопла проводилось посредством измерения диаметра дифракционных колец, которые возникали на экране при просвечивании струи. Для этого использовались красный или зеленый полупроводниковые лазеры (соответствующие: длина волны 650 и 532нм; мощность 20 и 3 мВт). Измерения показали, что при некоторых условиях в струе образуется субмикронный монодисперсный аэрозоль.

Рассматривалось два варианта расположения сопла по отношению к нагретому сосуду: горизонтальное сопло установленное на боковой стенке сосуда; вертикальное сопло установленное на крышке сосуда. Во втором случае образование пленочного конденсата в сопле шло менее интенсивно, что объяснялось наличием более мощного вертикального конвективного теплового потока от нагретого сосуда, т. е. тем, что температура окружающей среды вблизи сопла во втором случае была несколько выше. Чтобы убедиться в этом был проведен специальный эксперимент по измерению температурного поля вдоль оси горизонтального сопла и вдоль оси вертикального сопла вблизи нагреваемого сосуда. Действительно, на расстоянии ~2см от сосуда (вблизи среза сопла) превышение температуры около вертикального сопла над температурой около горизонтального сопла составило ~8°С или ~2.5% от температуры пара в сопле. Данные температурные изменения влияют на теплопередачу от стенки сопла окружающему пространству и на массовые расходы конденсата (см. п.4).

Другое отличие между вертикальной и горизонтальной ориентацией сопла связано с действием силы тяжести, которое проявляется в нарушении симметрии распределения конденсата на срезе горизонтального сопла. Внутри сопла (на расстояниях более 4мм от его среза) отличий не было, т. к. там пленка гораздо тоньше, чем на его краях и ее поведение определяется не массовыми, а поверхностными силами, которые от ориентации сопел не зависят. Если толщина пленки на срезе вертикального сопла одинакова во всех радиальных направлениях, то на срезе горизонтального сопла нижняя часть пленки толще верхней. Более толстая нижняя часть натекающей пленки сильнее взаимодействует с электрическим полем и парогазовым потоком, поэтому в случае горизонтального сопла именно на нижней части пленки происходит интенсивное образование зародышей. В дальнейшем речь пойдет только об экспериментах с горизонтальным соплом.

При низкой комнатной температуре (15-17°С) без подачи напряжения на электрод конденсат пленки образовывал на конце капилляра крупные капли, которые периодически срывались.

При подаче напряжения на электрод и при такой же низкой комнатной температуре (15-17°С) была отмечена пропорциональность между частотой запирания сопла водяной пробкой и потенциалом электрода (см. рис.3). Данное явление объясняется тем, что после достижения определенного значения потенциала сила взаимодействия пленки с электрическим полем возрастает настолько, что слои водного конденсата начинают скапливаться около среза сопла. При этом в сопле возникает дополнительное утолщение пленки и резко возрастает сила его взаимодействия с парогазовым потоком, а течение пленки переходит в пробковый режим. В результате, область утолщения пленки (пробка) разваливается на разнокалиберный аэрозоль. Чем выше потенциал, тем чаще возникают утолщения и тем выше частота прерываний монотонного процесса дробления.

При более высоких комнатных температурах (18-20°С) без подачи напряжения на электрод на конце капилляра крупные капли образовывались и срывались реже, чем при 15-17°С.

При тех же комнатных температурах (18-20°С) и потенциале электрода более 10кВ пробок в сопле и крупных капель на его срезе не наблюдалось. Вместо капли, на ее месте крепления в микроскоп наблюдалось образование стационарного водяного выступа с размерами гораздо меньше, чем у капли. Необходимо отметить, что в данном режиме происходило интенсивное образование монодисперсного аэрозоля. Перечисленные факты заставляют предположить наличие в данном режиме монотонного процесса дробления пленки на монодисперсные микрокапли (не видимые в микроскоп). Причем, вероятнее всего, монотонное дробление связано с образованием выступа. Кроме того, при значениях потенциала более 20кВ на выступе наблюдалось свечение, аналогичное свечению коронного разряда на игольчатом электроде.

4. Образование в капилляре пленки конденсата

В этом и последующих разделах будем рассматривать только те эксперименты, которые проводилось с горизонтальным соплом при температуре окружающей среды Tw = 200С и давлении в сосуде 1.4атм. На этом режиме почти нет естественной конденсации в струе. При наличии на электроде потенциала выше 10кВ, минуя режим прерывистой конденсации, сразу реализуется режим сильной стационарной конденсации с монодисперсным аэрозолем, вырастающим на расстоянии 10см от сопла до диаметра ~2мкм. В перечисленных выше условиях температура капилляра равна Tc = 850С (по показаниям корпусной термопары), а средняя по сечению капилляра скорость парогазового потока на срезе сопла - и>10м/с.

Выбор такого режима обусловлен необходимостью определения с наименьшим числом допущений характеристик дробления пленки по характеристикам аэрозоля на расстоянии 10см от сопла.

Толщина пленки

С помощью цифрового микроскопа было обнаружено, что в отсутствии электростатического поля на внутренней поверхности капилляра образуется водная пленка, достигающая около среза сопла толщины йэ = 20мкм.

В общем случае теория пленки представлена в [1]. Однако, в нашем случае, пренебрегая гравитационными и некоторыми другими эффектами, можно оценить толщину пленки а\ по упрощенной формуле из [2]: а\ ~ (Kvx/u)1/2 < (KvL/u)1/2 = 34мкм, где K = K(Tc-Tx) - безразмерный температурный коэффициент, х - расстояние, отсчитываемое от стенки сосуда вдоль сопла. Причем, для описанных выше условий: K ~ 2 (см. [2]); v ~ 3-10"7м2/с - кинематическая вязкость воды при температуре около 1000C (см. [3]). Сравнивая йэ и йт приходим к выводу, что эксперимент удовлетворительно согласуется с расчетом.

Из визуальных наблюдений следует, что примерно с расстояния х ~ 5мм пленка становится неустойчивой. При этом, хотя пленка и становилась неустойчивой, ее большая часть оставалась на стенках капилляра. В дальнейшем, на срезе сопла пленка образовывала крупную каплю Якап ~ 1мм с периодичностью ~8с (соответствующая частота срыва капли ~0.1Гц).

В самом деле, критическое значение числа Вебера, при котором пленка теряет устойчивость: Жкр ~ 10 (см. [4]), а по нашей оценке W ~ рс1)27?внутр/о > 1, где рс ~ 1,8кг/м3 -плотность парогазовой смеси, о = 0.073Н/м - поверхностное натяжение поверхности раздела вода/воздух.

Скорость течения пленки

Найдем значение скорости натекания пленки и. Расход воды на образование пленки оценим из формулы: плО = 2лвнутр-й?э-рж-и. Как уже говорилось, из эксперимента известно, что в случае отсутствия электрического поля на срезе сопла образовывалась полукруглая капля радиуса Якап ~ 1мм за время ~8с, т.е. пленочный расход составлял ~ 2-10"7кг/с. Такой расход соответствует скорости натекания пленки и~3мм/с.

Сделаем оценку сверху. Пленочный расход воды должен быть меньше полного: qmn. Экспериментальные значения полного расхода пара qn = 4.5-10"5кг/с приведены на рис.2, т.е. экспериментальный пленочный расход составляет ~0.5% от полного расхода найденного в эксперименте. С другой стороны, полный массовый расход водяного пара можно оценить, как: qu = лрпиК2внутр > 5-10"6кг/с, где рп = 0.58кг/м3 - плотность насыщенного водяного пара при 100°С [3]. Расчетное значение меньше экспериментального в ~10 раз. Расхождение могло быть вызвано тем, что: в эксперименте не точно определены скорость в капилляре и полный расход воды; в расчетах была произведена замена пересыщенного пара насыщенным.

Из неравенства qmn, формул расхода пара и пленки скорость пленки должна быть ограничена сверху: для экспериментального значения расхода пара - и<70см/с, т.е. найденная выше скорость натекания пленки не противоречит оценкам сверху.