Когда
Когда нам хочется выпить чай, мы включаем чайник. Он постепенно нагревает воду, и на его дне и стенках образуются маленькие пузырьки пара. Со временем они увеличиваются в размере, всплывают и исчезают в воздухе. Такое кипение называется пузырьковым. В отличие от него в пленочном кипении пузырьки не растут и не всплывают в воде, а соединяются друг с другом, образуя паровую пленку между жидкостью и стенками чайника. Водяной пар, как и любой другой газ низкой плотности, — отличный теплоизолятор, а потому процесс передачи тепла замедляется, и металлическая поверхность может резко разогреться вплоть до температуры плавления. Данный эффект встречается во многих современных технологических процессах.
Чаще всего пленочное кипение можно наблюдать при закалке металлов. Раскаленное изделие быстро остужают в воде или масле, чтобы сделать его более твердым. Также пленочное кипение наблюдается при авариях на АЭС. Чтобы быстро остудить активную зону реактора, в него вливают холодную воду из специальных аварийных гидроемкостей. Из-за этого возникает большая разница температур между стержнями реактора и поступающей жидкостью, что приводит к пленочному кипению на границе их соприкосновения. Кроме того, если ядерное топливо все же расплавилось, то этот раскаленный состав с огромной температурой, словно вулканическая лава, способен прожечь стальное дно реактора и на выходе из него попасть в воду. В таких условиях может произойти паровой взрыв — лавинообразная генерация пара при взаимодействии раскаленного состава с водой. А слово «взрыв» плохо сочетается с металлургической промышленностью и особенно с ядерной энергетикой.
Тем не менее о пленочном кипении в переохлажденных жидкостях известно мало. Плохо изучены факторы, влияющие на этот процесс. Кроме того, при таком виде кипения может происходить передача огромного количества тепла за короткий срок. Ученые пока что не знают, как объяснить этот эффект. Однако с научным и практическим описанием пленочного кипения переохлажденных жидкостей преуспели российские ученые.
«Сейчас в этом направлении мы действительно лидеры, так как первые в мире разработали физическую модель процесса. Проведя уникальные эксперименты, которые никто до нас не делал, мы подтвердили свою теорию», — сообщает руководитель проекта по гранту РНФ Арслан Забиров, кандидат технических наук, сотрудник кафедры инженерной теплофизики Национального исследовательского университета «МЭИ».
Ученые поставили перед собой задачу разобраться в факторах, влияющих на процесс пленочного кипения. Для этого был проведен эксперимент, в котором металлический шар диаметром 40 миллиметров раскаляли до температуры «красного каления». Затем его погружали в воду и ее смеси с этиловым спиртом. Процесс теплообмена фиксировался высокоскоростными камерами, а внутри сфер находились датчики для измерения температуры.
«Самое сложное — изготовить стальные шары, в которых проделаны тончайшие отверстия (меньше миллиметра) для термопар. Кроме того, возникали трудности с бесконтактным нагревом этих образцов до высоких, порядка 800 ºС, температур высокочастотным индукционным нагревателем. Были проблемы и с контролем высоких давлений», — рассказывает Арслан Забиров.
Для проведения уникальных экспериментов ученые использовали различные охлаждающие смеси. Массовая доля этилового спирта в них составляла от 20 до 80%. Опыты показали, что чем больше воды содержится в смеси, тем интенсивнее идет передача тепла. Так, при нормальном атмосферном давлении в 80% растворе этанола охлаждение шара заняло 50 секунд, а в 70% уже 16 секунд.
Но ключевым фактором в процессе пленочного кипения стало давление. Оно влияет на температуру насыщения, при которой жидкость начинает кипеть. Так, в нормальных условиях вода кипит при 100 ºС, а при повышении давления она закипает при большей температуре. Недогрев — разница между температурой насыщения и температурой жидкости. Например, для воды температурой 20 ºС при атмосферном давлении недогрев равняется 80 ºС, но для той же воды при высоких давлениях недогрев уже будет больше, так как температура насыщения уже будет не 100, а, например, 150 ºС.
«Таким образом, интенсивность теплообмена зависит от недогрева, который можно изменять, меняя давление. Чем выше давление, тем больше недогрев и тем интенсивнее идет охлаждение», — объясняет результаты экспериментов Арслан Забиров.
Контролируя процесс пленочного кипения в переохлажденных жидкостях, можно получать более твердые металлические изделия во время закалки. Также эти исследования важны для медицины. При заморозке биоматериалов или использовании криоскальпелей происходит передача большого количества тепла. Эти процессы схожи с изученными.
Ученые провели большой объем работы, но не собираются на этом останавливаться. Дальнейшие исследования должны объяснить взаимодействие струй холодной жидкости с горячим металлом и то, каким образом форма и свойства охлаждаемого тела влияют на этот процесс.
