RU2719264C1 - Устройство для определения скорости испарения капли - Google Patents

Устройство для определения скорости испарения капли Download PDF

Info

Publication number
RU2719264C1
RU2719264C1 RU2019131997A RU2019131997A RU2719264C1 RU 2719264 C1 RU2719264 C1 RU 2719264C1 RU 2019131997 A RU2019131997 A RU 2019131997A RU 2019131997 A RU2019131997 A RU 2019131997A RU 2719264 C1 RU2719264 C1 RU 2719264C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
droplet
evaporation
drop
size
time
Prior art date
Application number
RU2019131997A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Афанасьевич Архипов
Евгений Анатольевич Маслов
Алексей Иванович Коноваленко
Николай Николаевич Золоторёв
Валерий Тихонович Кузнецов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ)
Priority to RU2019131997A priority Critical patent/RU2719264C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2719264C1 publication Critical patent/RU2719264C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/29—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using visual detection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/02—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/02—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering
    • G01N25/12—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating changes of state or changes of phase; by investigating sintering of critical point; of other phase change

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей испарения капель жидкости при нагреве внешним тепловым потоком. Устройство включает ультразвуковой левитатор, фиксирующий каплю в акустическом поле резонатора, систему нагрева капли внешним тепловым потоком и систему визуализации. Система нагрева капли включает ксеноновую лампу с регулируемой мощностью, размещенную в фокусе параболического рефлектора. Система визуализации включает две видеокамеры, расположенные с возможностью регистрации формы и размеров капли в перпендикулярных плоскостях, а в месте локализации капли установлен перемещаемый датчик лучистого теплового потока с возможностью его удаления перед проведением измерений. Скорость испарения капли определяется из алгебраического соотношения по измеренным размерам капли. Технический результат - повышение точности определения скорости испарения капли. 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей испарения капель жидкости при нагреве внешним тепловым потоком.
Изучение процессов испарения жидких капель имеет большое практическое значение при проектировании различных энергетических устройств, оптимизации технологий тушения пожаров, а также в ряде других практических приложениях [1, 2].
Для оценки адекватности существующих теоретических моделей (диффузионная модель Сполдинга, модель фазового перехода и др.), а также разрабатываемых моделей испарения необходимо экспериментальное исследование скорости испарения капли.
Известен способ измерения скорости испарения капли с помощью видеосъемки при ее гравитационном осаждении в горячих продуктах сгорания жидкого топлива [3]. При реализации данного способа нагрев капли осуществляется за счет конвективно-радиационного теплообмена. Кроме того, в процессе осаждения наблюдаются деформация и колебания капли. В таких условиях выявить влияние различных эффектов на скорость испарения капли не представляется возможным.
Известны способы измерения скорости испарения неподвижной капли, помещенной на нагретую металлическую пластину [1], подвешенной на кольце из тонкой (диаметром 25 мкм) проволоки [4] или закрепленной на торце асбестовой нити [5]. Нагрев капли осуществлялся потоком горячего воздуха. Недостатком этих способов является необходимость учета кондуктивного теплообмена между каплей и фиксирующими каплю элементами.
Известен способ определения скорости испарения капель жидкости в потоке нагретого газа [6]. Определение скорости испарения проводят на каплях, свободно взвешенных в восходящем газовом потоке внутри конической трубки, в режиме опускания капли по мере ее испарения. Для этого периодически уменьшают расход газа, регистрируют размеры капель, проходное сечение канала по высоте расположения капли и расход газа.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство для определения скорости испарения и горения группы мелких капель [7]. Левитирующие капли жидкости фиксируются по оси камеры сгорания при помощи акустического поля и нагреваются от горячих стержней, расположенных в нижней части камеры. Температура в камере измеряется датчиками температуры, а изменение размеров капель фиксируется высокоскоростной камерой через прозрачное окно в стенке камеры сгорания. Нагрев капель в данном устройстве реализуется за счет комбинированного теплообмена, включающего конвективный, кондуктивный и лучистый механизмы.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения скорости испарения капли.
Технический результат достигается тем, что разработано устройство для определения скорости испарения капли, включающее ультразвуковой левитатор, локализующий каплю в акустическом поле резонатора, систему нагрева капли внешним тепловым потоком и систему визуализации. Система нагрева капли включает ксеноновую лампу с регулируемой мощностью излучения, размещенную в фокусе параболического рефлектора. Система визуализации включает две видеокамеры, расположенные с возможностью регистрации формы и размеров капли в перпендикулярных плоскостях. В месте локализации капли установлен перемещаемый датчик лучистого теплового потока с возможностью его удаления перед проведением измерений. Скорость испарения капли определяется из соотношения
Figure 00000001
где W(ti) - скорость испарения капли в момент времени ti, кг/(м2⋅с);
ρ - плотность жидкости, кг/м;
Δt- промежуток времени между регистрируемыми видеокадрами, с;
n - количество регистрируемых видеокадров в процессе испарения капли;
Figure 00000002
- радиус эквивалентной сферической капли равного объема в момент времени ti, м;
a(ti) и b(ti), - значения размеров капли по горизонтальным осям в перпендикулярных плоскостях, a c(ti) значение размера капли по вертикальной оси в момент времени ti, м;
Figure 00000003
- среднее значение размера капли по вертикальной оси в момент времени ti, м;
с(1)(ti), с(2)(ti) - значения размеров капли по вертикальной оси в момент времени ti, измеренные 1-й и 2-й видеокамерами, м.
Сущность изобретения поясняется схемой, приведенной на Фиг. 1. Устройство включает ультразвуковой левитатор, содержащий пьезоэлектрический преобразователь 1 установленный на пластине 2 и соединенный с усилителем мощности 3, генератором колебаний 4 и источником питания 5. Акустическое поле формируется в резонаторе между пластиной 2 и отражателем 6, соединенным с микрометрическим винтом 7 для регулирования расстояния между пластиной 2 и отражателем 6 (высоты резонатора). Ксеноновая лампа 8 с регулируемой мощностью излучения, помещенная в фокусе параболического рефлектора 9 используется для нагрева и подсветки левитирующей капли 10. Видеокамеры 11, расположенные в перпендикулярных плоскостях, обеспечивают двухракурсную съемку испаряющейся капли 10. Параболический рефлектор 9 расположен таким образом, чтобы исключить попадание светового потока в объективы видеокамер 11. Перемещаемый датчик теплового потока (на Фиг. 1 не показан) установлен в месте расположения левитирующей капли.
Устройство работает следующим образом. Исследуемую каплю жидкости заданной массы с помощью капилляра помещают в резонатор и путем регулирования усилителя мощности 3 и перемещения микрометрического винта 7 добиваются ее устойчивой левитации в акустическом поле. Затем каплю удаляют, а на ее место устанавливают перемещаемый датчик теплового потока, ориентированный тепловоспринимающей поверхностью в сторону ксеноновой лампы 8. Включают ксеноновую лампу 8 при заданной мощности излучения и регистрируют величину теплового потока в этой точке резонатора. Затем датчик теплового потока удаляют, включают генератор 4, создающий акустическое поле между пластиной 2 и отражателем 6. В резонатор снова помещают каплю 10 исследуемой жидкости заданной массы. Поскольку масса капли одинакова, она будет устойчиво фиксироваться в точке резонатора, для которой проведена градуировка величины теплового потока. Видеосъемку процесса испарения капли проводят видеокамерами 11 при включенной ксеноновой лампе 8.
По результатам измерений размеров капли в трех плоскостях рассчитывают радиус эквивалентной сферической капли R(ti) в моменты времени ti и по соотношению (1) рассчитывают скорость испарения капли W(ti) в соответствующие моменты времени.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
1. Использование ксеноновой лампы с регулируемой мощностью излучения, помещенной в фокусе параболического рефлектора, обеспечивает подачу равномерного лучистого теплового потока задаваемой интенсивности на исследуемую каплю.
2. Использование двух видеокамер, расположенных с возможностью регистрации формы и размеров капли a(ti), b(ti), c(ti) в перпендикулярных плоскостях, позволяет повысить точность определения радиуса эквивалентной сферической капли с учетом ее деформации в процессе испарения (Фиг. 2):
Figure 00000004
3. Установка перемещаемого датчика лучистого теплового потока в месте локализации левитирующей капли позволяет строго контролировать уровень теплового потока, действующего на каплю. Удаление датчика перед проведением измерений исключает возмущение акустического поля в резонаторе в процессе испарения капли.
4. При локализации капли в резонаторе ультразвукового левитатора под воздействием акустического поля происходит ее деформация в виде сплющенного сфероида (Фиг. 3). По мере испарения капли и уменьшения ее массы степень деформации уменьшается и форма капли приближается к сферической. Для уменьшения погрешности определения скорости испарения сфероидальной капли расчет скорости испарения проводится для эквивалентной сферической капли радиусом R, объем которой равен объему сфероида.
Объем эквивалентной сферической капли равен:
Figure 00000005
Объем сфероидальной капли (Фиг. 3) равен [8]:
Figure 00000006
Приравнивая (3) и (4), получим радиус эквивалентной сферической капли:
Figure 00000007
Изменение массы эквивалентной сферической капли в процессе испарения определяется соотношением [2]
Figure 00000008
где
Figure 00000009
масса капли, кг;
R - радиус эквивалентной сферической капли, м;
S=4πR2 - площадь поверхности эквивалентной сферической капли, м;
W - скорость испарения, кг/(м2⋅с).
Дифференцируя (6), получим
Figure 00000010
или
Figure 00000011
Заменяя в (7) производную dR/dt конечными разностями
Figure 00000012
i=1,2,…,n,
получим формулу (1) для определения скорости испарения капли:
Figure 00000013
i=1,2,…,n.
Пример реализации
В качестве примера реализации заявляемого изобретения была разработана и изготовлена лабораторная установка (Фиг. 4), на которой проведены эксперименты по определению скорости испарения капель дистиллированной воды. Постоянное напряжение от источника 5 преобразуется генератором колебаний 4 в переменное напряжение частотой 24 кГц и подается на пьезоэлектричесий элемент 1. Отражатель 6 закреплен на микрометрическом винте 7 для регулирования высоты резонатора. Капля воды диаметром (2÷3) мм формировалась с помощью капилляра и фиксировалась в резонаторе между пластиной 2 и отражателем 6.
Лучистый тепловой поток создавался ксеноновой лампой ДКсР-3000 М, помещенной в фокусе параболического рефлектора. Величина теплового потока в месте локализации капли, определенная при помощи измерителя тепловых потоков Ophir Optronics FL500A, составляла q=(0.5÷1.5) Вт/см2 в зависимости от величины напряжения на ксеноновой лампе и расстояния до левитатора. Визуализация процесса испарения капли проводилась двумя цифровыми видеокамерами "Panasonic HDC-SD60». Размеры капли в трех плоскостях a(ti), b(ti), c(ti) определялись обработкой видеокадров процесса испарения в программном комплексе Corel DRAW.
На Фиг. 5 приведены графики изменения эквивалентного радиуса капли дистиллированной воды для двух значений теплового потока. Скорость испарения капли рассчитывалась по формуле (1). Результаты измерений приведены в таблице 1.
Figure 00000014
Приведенный пример показывает, что при реализации заявляемого изобретения достигается положительный эффект, заключающийся в повышении точности определения скорости испарения капли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Высокомерная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Испарение и трансформация капель и больших массивов жидкости при движении через высокотемпературные газы. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016. - 302 с.
2. Терехов В.И., Пахомов М.А. Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. - 284 с.
3. Волков Р.С., Высокоморная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Экспериментальное исследование изменения массы капель воды при их движении через высокотемпературные продукты сгорания // Инж.-физ. журн. 2013. Т. 86, №6. - С. 1327-1332.
4. Терехов В.И., Шишкин Н.Е. Экспериментальное исследование испарения капель наножидкости в потоке сухого воздуха// Современная наука. 2011, №2 (7). - С. 197-200.
5. Терехов В.И., Шишкин Н.Е., Ли Х.-К. Влияние поверхностно-активного вещества на испарение водяных капель // Современная наука. 2011, №2 (7). - С. 215-219.
6. А.С. СССР №1318880, МПК G01N 25/02, Способ определения скорости испарения капель жидкости в потоке газа / Гольдин Г.С., Железное СВ. - заявл. 03.07.1985; опубл. 23.06.1987 Бюл. №23.
7. Patent China CN 107202812 А, МПК G01N 25/02, Acoustic levitation multi-droplet evaporation and combustion experiment device and method / Wang Wei, Wang Jigang, Wang Xun, Ren Guilong, Kim Zhungliang, He Qiang, Tang Literature. - заявл. 08.09.2016; опубл. 26.09.2017/
8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М: Наука, 1981. - 720 с.

Claims (10)

  1. Устройство для определения скорости испарения капли, включающее ультразвуковой левитатор, локализующий каплю в акустическом поле резонатора, систему нагрева капли внешним тепловым потоком и систему визуализации, отличающееся тем, что система нагрева капли включает ксеноновую лампу с регулируемой мощностью излучения, размещенную в фокусе параболического рефлектора, система визуализации включает две видеокамеры, расположенные с возможностью регистрации формы и размеров капли в перпендикулярных плоскостях, а в месте локализации капли установлен перемещаемый датчик лучистого теплового потока с возможностью его удаления перед проведением измерений, причем скорость испарения капли определяется из соотношения
  2. Figure 00000015
  3. где W(ti) - скорость испарения капли в момент времени ti, кг/(м2⋅с);
  4. ρ - плотность жидкости, кг/м2;
  5. Δt - промежуток времени между регистрируемыми видеокадрами, с;
  6. n - количество регистрируемых видеокадров в процессе испарения капли;
  7. Figure 00000016
    - радиус эквивалентной сферической капли равного объема в момент времени ti, м;
  8. a(ti) и b(ti), - значения размеров капли по горизонтальным осям в перпендикулярных плоскостях, a c(ti) - значение размера капли по вертикальной оси в момент времени ti, м;
  9. с(ti)=0.5[c(1)(ti)+c(2)(ti)] - среднее значение размера капли по вертикальной оси в момент времени ti, м;
  10. c(1)(ti), c(2)(ti) - значения размеров капли по вертикальной оси в момент времени ti, измеренные 1-й и 2-й видеокамерами, м.
RU2019131997A 2019-10-09 2019-10-09 Устройство для определения скорости испарения капли RU2719264C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019131997A RU2719264C1 (ru) 2019-10-09 2019-10-09 Устройство для определения скорости испарения капли

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019131997A RU2719264C1 (ru) 2019-10-09 2019-10-09 Устройство для определения скорости испарения капли

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2719264C1 true RU2719264C1 (ru) 2020-04-17

Family

ID=70277904

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019131997A RU2719264C1 (ru) 2019-10-09 2019-10-09 Устройство для определения скорости испарения капли

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2719264C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114295665A (zh) * 2021-12-10 2022-04-08 西安交通大学 一种水滴结冰可视化实验装置及其应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU996922A1 (ru) * 1981-07-29 1983-02-15 Уральский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.А.М.Горького Устройство дл измерени кинетики испарени капель жидкостей в газовом потоке
SU1318880A1 (ru) * 1985-07-03 1987-06-23 Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений Способ определени скорости испарени капель жидкости в потоке газа
RU2063022C1 (ru) * 1992-10-08 1996-06-27 Центральный аэрогидродинамический институт им.проф. Н.Е.Жуковского Способ определения коэффициента испарения переохлажденной жидкости
RU20968U1 (ru) * 2001-04-03 2001-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Установка для визуально-термического исследования фазовых превращений в неорганических материалах
CN202453309U (zh) * 2012-03-19 2012-09-26 上海海事大学 溶液液滴闪蒸实验测试装置
CN107202812A (zh) * 2016-09-08 2017-09-26 江苏科技大学 一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法
CN110044951A (zh) * 2019-04-26 2019-07-23 西北工业大学 一种非接触式航空煤油液滴蒸发装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU996922A1 (ru) * 1981-07-29 1983-02-15 Уральский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.А.М.Горького Устройство дл измерени кинетики испарени капель жидкостей в газовом потоке
SU1318880A1 (ru) * 1985-07-03 1987-06-23 Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений Способ определени скорости испарени капель жидкости в потоке газа
RU2063022C1 (ru) * 1992-10-08 1996-06-27 Центральный аэрогидродинамический институт им.проф. Н.Е.Жуковского Способ определения коэффициента испарения переохлажденной жидкости
RU20968U1 (ru) * 2001-04-03 2001-12-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Установка для визуально-термического исследования фазовых превращений в неорганических материалах
CN202453309U (zh) * 2012-03-19 2012-09-26 上海海事大学 溶液液滴闪蒸实验测试装置
CN107202812A (zh) * 2016-09-08 2017-09-26 江苏科技大学 一种声悬浮多液滴蒸发与燃烧实验装置及其方法
CN110044951A (zh) * 2019-04-26 2019-07-23 西北工业大学 一种非接触式航空煤油液滴蒸发装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114295665A (zh) * 2021-12-10 2022-04-08 西安交通大学 一种水滴结冰可视化实验装置及其应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Volkov et al. Planar laser-induced fluorescence diagnostics of water droplets heating and evaporation at high-temperature
Downingm The evaporation of drops of pure liquids at elevated temperatures: Rates of evaporation and wet‐bulb temperatures
Stratmann et al. Laboratory studies and numerical simulations of cloud droplet formation under realistic supersaturation conditions
JP4857422B2 (ja) 高温融体導電材料の熱物性測定方法及び測定装置
Zhu et al. Influence of bond number on behaviors of liquid drops deposited onto solid substrates
Fernandez-Pello et al. On the dominant mode of heat transfer in downward flame spread
RU2719264C1 (ru) Устройство для определения скорости испарения капли
Culpin The viscosity of liquid indium and liquid tin
Hargrave et al. The effect of turbulence intensity on convective heat transfer from premixed methane-air flames
Orzechowski et al. Analysis of D2-law in case of Leidenfrost drop evaporation
Sparrow et al. Experiments on isothermal and non-isothermal evaporation from partially filled, open-topped vertical tubes
Gusakov et al. Simultaneous PIV and gradient heat flux measurement of a circular cylinder in cross-flow
Cameron et al. Novel cloud chamber design for ‘transition range’aerosol combustion studies
RU2638376C1 (ru) Стенд для исследования деформации капель аэродинамическими силами
Sasikumar et al. MHD oscillatory flow through porous medium in rotating wavy channel with heat source
Abed et al. Investigation of heat transfer coefficient of spherical element using infrared thermography (IR) and gas-water droplets (mist) as working medium
Smolík et al. Condensation of supersaturated vapors of dioctylphthalate: homogeneous nucleation rate measurements
Arkhipov et al. Special aspects of the drop evaporation during radiant heating
RU2724140C1 (ru) Способ определения скорости испарения группы капель
Moran et al. Laser-based diagnostics of slug flow boiling in a horizontal pipe
Antonov et al. Evaporation of a water drop with a solid opaque inclusion moving through a high-temperature gaseous medium
Utaka et al. Measurement of the Microlayer During Nucleate Boiling and Its Heat Transfer Mechanism
Jacobs et al. Measurement of temperatures associated with bubbles in subcooled pool boiling
Volkov et al. Experimental investigation of trajectory of motion of water drops in a flow of high-temperature gases
Grigoriev et al. Study of special features of development and collapse of vapor film on hemispherical surfaces