СМАЧИВАЕМОСТЬ И АДГЕЗИЯ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ НА СТЕНКЕ КАНАЛА С СЕТОЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Одним из наиболее эффективных способов взаимодействия теплоносителя и рабочего тела является непосредственный контакт гравитационно текущей пленки жидкости и газа при противоточном движении фаз, сопровождающийся тепло– и массообменом, фазовыми и химическими превращениями. Перспективным методом пассивной интенсификации процессов тепло– и массообмена пленки жидкости и газа является использование поверхностей контакта с регулярной шероховатостью, либо с пористым или сеточным покрытием стенок каналов

Важным условием обеспечения эффективности работы аппаратов контактного типа, имеющего определенную гидравлическую схему, является использование особенностей взаимодействия жидкости и газа, а также диапазона изменения рабочих параметров, в пределах которых реализуется устойчивое течение пленки жидкости. Шероховатость поверхности способствует увеличению амплитуды волн стекающей пленки, что приводит к уменьшению величины предельной скорости начала процесса захлебывания при противоточном движении контактирующих фаз, а с другой стороны, наличие пористого или сеточного покрытия, благодаря капиллярным силам, способствует расширению нижней границы рабочего диапазона, которая определяется переходом пленочного течения в ручейковое.

Гидродинамика гравитационного течения пленки жидкости в вертикальных каналах сеточным покрытием стенок. Исследование гидродинамики гравитационного течения пленки жидкости в вертикальных каналах сеточным покрытием стенок подтверждает влияние капиллярных сил на изменение толщины пленки в зависимости от плотности орошения.

Зависимости локальной толщины гравитационно стекающей пленки жидкости по вертикальной поверхности с сетчатым покрытием от плотности орошения представлены на рисунке. В ходе экспериментов плотность орошения изменялась от максимального значения, при полностью затопленной сеточной структуре, до минимального, соответствующего переходу пленочного течения в ручейковое.

Анализ экспериментальных данных позволяет выделить характерные области ламинарного течения пленки жидкости по вертикальной поверхности с сетчатым покрытием. Первая область характеризуется монотонным изменением толщины пленки в зависимости от уменьшения плотности орошения. Такой характер изменения толщины пленки происходит в случае полного затопления сетчатой структуры. Кривая изменения толщины пленки на стенке с сеточным покрытием согласуется с кривой зависимости толщины ламинарной гравитационно стекающей пленки по гладкой вертикальной поверхности [1]. Область ІІ характеризуется относительно стабильной толщиной пленки. Уменьшение плотности орошения не приводит к значительному изменению ее толщины.

Толщина пленки ? в зависимости от плотности орошения Г при гравитационном течении в вертикальных каналах с сеточным покрытием и размере ячейки в свету:

S = 0,63·10^-3 (1); 0,50·10^-3 (2); 0,40 ·10^-3 м (3)

Превалирующими в этой области являются силы поверхностного натяжения, которые удерживают пленку в структуре сеточного покрытия. Диапазон изменения толщины пленки для этой области характеризуется началом появления верхней образующей проволоки в месте их переплетения и толщиной пленки в центре мениска, образованного жидкостью между проволоками ячейки сетки. При дальнейшем уменьшении плотности орошения в области ІІІ происходит скачкообразное изменение толщины пленки. Очевидно, что в этой области баланс сил складывается таким образом, что силы инерции становятся меньше когезии. Нижняя граница этой области характеризуется пленочным течением жидкости по гладкой поверхности трубы и наличием менисков под нижней образующей проволок ячейки сетки.

Для области IV характерным является относительно стабильное течение пленки. Толщина пленки в этой области близка к минимально допустимой, и при небольшом изменении плотности орошения происходит разрыв пленки с образованием сухих пятен. Повторное смачивание образовавшихся пятен возможно только после полного затопления сетчатого слоя.

Взаимодействие пленки жидкости и поверхности с сеточным покрытием. Анализ полученных данных по исследованию изменения толщины гравитационно стекающей пленки жидкости по вертикальной поверхности с сетчатым покрытием позволяет определить сложный характер зависимости от плотности орошения, который будет оказывать определяющее влияние на допустимый диапазон работы контактных аппаратов с регулярными насадками, имеющими пассивные интенсификаторы.

Большое влияние на течение жидкости в каналах контактных аппаратов оказывает материал, из которого изготовлены стенки канала и сеточное покрытие.

Важной характеристикой, оказывающей влияние на гидродинамику пленочного течения, является поверхностное натяжение σ и краевой угол смачивания Θ. Процессы смачивания гладких и шероховатых поверхностей различными жидкостями достаточно подробно исследованы [2]. Следует отметить, что приведенные данные относительно краевых углов смачивания Θ для системы жидкость – твердое тело имеют большой диапазон значений. Это объясняется не погрешностью при получении экспериментальных данных, а, в основном, способом измерения Θ и реальными свойствами жидкости и твердого тела.

Смачивание поверхностей каналов с сеточным покрытием по сравнению с гладкими и шероховатыми поверхностями имеет ряд особенностей, которых проявляются в изменении на поверхностях с сеточным покрытием основных показателей, характеризующих адгезию и смачивание. Неровности и микротрещины стенок канала и проволок сеточного покрытия существенным образом влияют на зависимость толщины смачивающей пленки от капиллярного давления мениска в ячейке сетки или от относительного давления газа (пара).

Реальные профили пленок на стенках канала с сеточным покрытием сложны, и строгие аналитические решения связаны с большими трудностями. В случае искривленной поверхности пленки, как в случае с пленкой в ячейке сетки на стенке канала, меняется по сравнению с плоской поверхностью пространственное распределение тангенциальной и нормальной составляющей тензора давления. Это явление лежит в основе известной зависимости поверхностного натяжения жидкости σ от кривизны поверхности [3, 4].

Равновесие пленок жидкости на искривленной твердой поверхности с паром либо капиллярным мениском, имеющим капиллярное давление Δ Р_к, определяется выражением [5].

где Р_к — капиллярное давление в пленке, зависящее от кривизны k поверхности;

П — расклинивающее давление, которое является функцией только толщины пленки.

Характер взаимодействия пленки жидкости со стенкой канала в IV области (см. рисунок) показывает, что стыковая часть пленки, расположенной под нижней образующей проволоки сетки, находится в состоянии равновесия с объемной частью пленки при условии равенства расклинивающего давления в пленке П(δ ) и перепада капиллярного давления Δ Р_к на поверхности пленки. В тоже время, пленка, находящаяся в поле действия поверхностных сил в области канала и проволоки сетки, не переходит прямо в объемную часть. Между ними, как было исследовано, существует переходная зона, где еще продолжается действие поверхностных сил [5].

Поскольку в переходной зоне действуют одновременно как капиллярные, так и поверхностные силы, для нахождения равновесного профиля переходной зоны необходимо использовать уравнение, выражающее постоянство химического потенциала молекул жидкости в слое переменной толщины δ(x, y, z) [6, 7].

где k(x, y, z) — локальное значение кривизны поверхности;

Р₀ — капиллярное давление равновесного мениска пленки.

С другой стороны, экспериментальные исследования показали, что в IV области существуют пленки жидкости достаточно большой толщины (δ>5·10^–5 м) и со значительным радиусом кривизны, при котором величина расклинивающего давления П(δ) существенно не повлияет на профиль стыковой части пленки.

Как уже отмечалось, одной из важных характеристик системы стенка канала – пленка жидкости, оказывающей влияние на гидродинамику, особенно в диапазоне плотностей орошения, близких к минимальным, является краевой угол смачивания Θ₀. Существуют аналитические и экспериментальные методы определения величины краевого угла смачивания для различных систем твердая гладкая поверхность – жидкость. В зависимости от выбранного способа определения ?0 полученные значения могут значительно отличаться (от 0,3…0,4 до 2…3 раз) [2].

В теории смачивания было впервые корректно учтено, что капля или мениск объемной жидкости образуют краевой угол не с сухой твердой и гладкой подложкой, а с поверхностью, покрытой тонкой пленкой жидкости [5, 8]. В результате получено выражение, которое позволяет определять краевой угол смачивания Θ₀

Учитывая необходимость определения числа Фурье Fr_min2, соответствующего нижней границе рабочего диапазона работы контактных аппаратов, рассчитать краевой угол смачивания Θ₀ для реальной системы стенка с сеточным покрытием – жидкость практически невозможно.

Методы определения краевого угла смачивания Θ₀ подробно описаны [2, 8, 9]. Для системы стенка с сеточным покрытием – пленка жидкости краевой угол смачивания Θ₀ целесообразно определять между стыковой частью пленки жидкости на стенке канала и тонкой пленкой на проволоке сеточного покрытия. Наиболее приемлемым и близким к реальному процессу является метод измерения краевых углов смачивания малой капли, сажаемой на проволоку, из которой изготовлено сеточное покрытие канала. В этих условиях равновесие достигается быстро, гистерезис исключается, а сила гравитации не влияет на краевой угол.

Измерения краевого угла смачивания выполнялось с помощью микроскопа ММИ–2 с углоповоротной головкой. В таблице представлены экспериментальные значения краевых углов Θ₀ при смачивании различных жидкостей проволоки сеточного покрытия, изготовленного из различных материалов. Для сравнения приведены экспериментальные данные равновесных углов смачивания Θ₀ [10].

Отличия в результатах измерений краевых углов смачивания для одних и тех же систем металл – жидкость возникают из–за метода определения Θ₀, вследствие отсутствия идентичности физико–химической и микрогеометрической поверхности образцов.

В отличие от гладкой поверхности, где условие разрыва пленки определяется физическими свойствами жидкости, смачиваемостью поверхности и зависит от баланса сил, действующих на элементарный объем пленки, для поверхности с сеточным покрытием необходимо дополнительно учитывать капиллярные эффекты в ячейке сетки.

Для учета влияния действительного состояния поверхности контакта на процесс смачивания были проведены исследования равновесного краевого угла смачивания Θ методом малой капли, сажаемой на проволоку из различных материалов.

Список литературы:

1. Капица П.Л. Волновое течения тонких слоев вязкой жидкости / П.Л. Капица // ЖЭТФ. — 1948. — Т. 18, вып.1. — С. 3 — 28.
2. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание / А.Д. Зимон. — М.: Химия, 1974. — 414 с.
3. Оно С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях: Пер. с англ. / С. Оно, С. Кондо. — М.: Изд–во иностр. лит., 1963. — 291 с.
4. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления / А.И. Русанов. — Л.: Химия, 1967. — 388 с.
5. Дерягин Б.В. Смачивающие пленки / Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев. — М.: Наука, 1984. — 160 с.
6. Дерягин Б.В. Профиль переходной зоны между смачивающей пленкой и мениском объемной жидкости/ Б.В. Дерягин, В.М. Старов, Н.В. Чураев // Коллоид. журн. — 1976. — Т. 48., №5 — С. 875–879.
7. Мартынов Г.А. Гистерезис краевого угла на однородных поверхностях / Г.А. Мартынов, В.М. Старов, Н.В. Чураев // Коллоид. журн. — 1977. — Т. 39. — №3 — С. 472–484.
8. Фрумкин А.Н. О явлениях смачивания и прилипания пузырьков / А.Н. Фрумкин // Журн. физ. химии. — 1938. — Т. 12, № 4 — С. 337–345.
9. Старов В.М. Равновесие капель жидкости на твердой подложке и линейное натяжение / В.М. Старов, Н.В. Чураев // Коллоид. журн. — 1980. — Т. 42, №4 — С. 703–710.
10. Семена М.Г. Тепловые трубы с металловолокнистыми капилярными структурами / М.Г. Семена, А.Н. Гершуни, В.К. Зарипов. – К.: Вища шк., 1984. – 214 с.