Способ определения коэффициента испарения переохлажденной жидкости

 

Использование: в экспериментальной физике и позволяет измерять время остывания капли жидкости от начальной температуры до температуры спонтанного замерзания и, используя полученные значения, определять коэффициент конденсации с высокой точностью. Сущность изобретения: способ заключается в инжекции капли жидкости в вакуумную камеру, регистрации значения начального радиуса капли жидкости, измерении времени остывания капли жидкости от начальной температуры до температуры спонтанного замерзания и определении коэффициента конденсации. 2 ил.

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано для измерения коэффициента испарения воды и других жидкостей при температурах близких к температуре спонтанного замерзания T_f.

Известен способ определения коэффициента испарения воды по скорости диффузного испарения капли воды в воздухе. В этом способе α определяется в результате сравнения экспериментальной скорости испарения, найденной при анализе фотографии трека капли в воздухе с расчетной скоростью испарения ( Неизвестный А.И. Экспериментальное определение коэффициента конденсации воды по скоростям испарения и роста капель микронных размеров. Доклады АН СССР, 1978, т.243, N 3, с.626-629).

Недостатком данного способа является то, что он позволяет определить значение коэффициента испарения a лишь с точностью до порядка величины из-за слабого влияния a на скорость диффузионного испарения капли при a~11.

Известен способ определения коэффициента испарения жидкости при котором с помощью фотосъемки измеряют диаметр, а с помощью термопары температуру капли, испаряющейся в вакууме. Тепло к капле подводится излучением так, что при уменьшении ее диаметра ее температура остается примерно постоянной. По измеренным скорости и температуре с помощью формулы Кнудсена вычисляется коэффициент испарения (Андреев А.П. и Гуревич М.А. Экспериментальное определение скорости испарения жидкости в вакуум и коэффициента испарения. ЖТФ, 1974, т.44, в.3, c.635-643).

Недостатком указанного способа является то, что температура поверхности измеряется с помощью термопары, что делает невозможным измерение этим методом коэффициента испарения воды. Это связано с тем, что при испарении капли воды в вакууме при температурах выше нуля ее температура очень резко меняется в области, размеры которой меньше радиуса термопары. При температурах меньших О⁰ С метод не пригоден из-за кристаллизации на термопаре.

Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента испарения переохлажденной жидкости при температурах близких к температуре спонтанного замерзания T_f.

Решение этой задачи достигается тем, что капля жидкости инжектируется в вакуумную камеру, регистрируется значение начального радиуса капли, регистрируется момент спонтанного замерзания капли, измеряется время остывания капли жидкости от начальной температуры до температуры спонтанного замерзания, затем, используя полученное значение времени остывания, определяется величина коэффициента испарения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

На фиг.2 представлена зависимость времени остывания капли воды в процессе испарения в вакууме как функция коэффициента испарения.

Предлагаемый способ состоит из следующих действий: вводят каплю жидкости в вакуум, регистрируют начальный радиус капли жидкости, измеряют время остывания капли от начальной температуры до температуры спонтанного замерзания путем фиксации кинокамерой момента изменения ее блеска при замерзании, получают путем решения на ЭВМ стандартной тепловой задачи с использованием известных значений начального радиуса и температуры зависимости коэффициента испарения от времени остывания от начальной температуры T_o до температуры до температуры спонтанного замерзания T_f.

подставляют измеренное значение времени остывания в эту зависимость и получают значение коэффициента испарения.

Устройство, реализующее указанный способ содержит вакуумную трубу 1, инжектор 2 и скоростную кинокамеру 3 (см. фиг. 1).

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Капля воды из инжектора 2 попадает в вакуумную трубу 1. При этом процесс ее испарения фиксируется кинокамерой 3. Сведения для выбора вакуумной трубы, инжектора и кинокамеры следующие.

Давление в вакуумной камере Начальный радиус капли воды при начальной температуре T_o 0 ^oС ограничен сверху значением R₀= 0,25мм/(1-α/2). Ограничение вызвано тем, что при больших значениях радиуса капли вода может закипеть.

Приблизительное время остывания от О^oС до температуры спонтанного замерзания при испарении в вакууме: t_f≈ bR₀/α (1) где b коэффициент, полученный с помощью приблизительного аналитического решения тепловой задачи: b 250 c/м, R_о начальный радиус капли, м; α коэффициент испарения.

Например, при R_о 0,2 мм и 0,02<α<1 получаем из (1), что 0,05с<t<2,5с.

времени остывания t_f капли воды радиусом R_o=25 мкм при испарении в вакууме от T_o 20^oС до конечной температуры капли T₁ представлена на фиг.2: 1, 3 T₁ -39,65^oС; 2 T₁ -37,15^oС. Кривая 3 приближенная зависимость (1).

В предлагаемом способе время остывания капли жидкости до замерзания может быть определено с погрешностью 1% Начальный радиус R_о может также быть определен с погрешностью 1% Из результатов работы Kuhns I.Е. Mason B.J. The supercooling and freezing of small water droplets falling in air and other gases. Proc. Roy. Soc. A, 1968, v.302, pp.437-452 следует, что температура спонтанного замерзания капли легко определяется с погрешностью менее 1^oС. Изменение Т₁ T_f на 1^oС приводит как видно из сравнения кривых 1 и 2 на фиг.2 к изменению времени остывания капли менее, чем на 10% Таким образом, поскольку время остывания капли до температуры замерзания почти обратно пропорционально величине коэффициента испарения, предлагаемый способ позволяет измерить коэффициент испарения с погрешностью менее 10%

Формула изобретения

Способ определения коэффициента испарения переохлажденной жидкости, включающий инжекцию капли жидкости в вакуумную камеру, регистрацию значения начального радиуса капли жидкости, регистрацию спонтанного замерзания капли, измерения времени ее испарения до момента спонтанного замерзания и определения по полученным значениям коэффициента испарения, отличающийся тем, что время испарения капли жидкости измеряют от момента попадания в вакуумную камеру до момента спонтанного замерзания и по этому времени определяют коэффициент испарения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2