Direct contact condensation of steam bubbles in water at high pressure

Experiments have been carried out to investigate direct contact condensation of saturated steam bubbles introduced into a quiescent subcooled water environment. The experiments were performed for a range of pressures from 10.3 to 62.1 bar (150–900 lbin2), for subcooling from 15 to 100°C, and for initial bubble diameters of about 3mm. The data reduction of high speed motion pictures was based on a frame by frame analysis wherein the coordinates of the bubble perimeter were recorded in digital form and subsequently processed to yield quantitative information about the bubble collapse history and heat-transfer coefficient. The photographs showed that the successive shapes of the bubbles during their collapse histories proceeded from a sphere to a hemisphere to an ellipsoid to a sphere to collapse; short-lived bubbles collapsed as ellipsoids. The time to collapse and the height to collapse increased with increasing pressure and with decreasing temperature difference. The rise velocities of the bubbles were essentially constant, with an overall range of 15–22cm/s. The average heat-transfer coefficients were on the order of 104W/m2·°C (1750 Btu/h·ft2·°F), with only modest variations with pressure level and temperature difference. The instantaneous heat-transfer coefficients did not differ appreciably from the average coefficients. Des expériences sur la condensation par contact direct ont été faites avec des bulles de vapeur introduites dans un environnement d'eau au repos et sous-refroidie. Elles concernent un domaine de pression entre 10,3 et 62,1 bar, un sous-refroidissement entre 15 et 100°C et des diamètres de bulles initiaux de trois millimètres environ. La réduction des données des prises de vues à grande vitesse est basée sur l'analyse image par image dans laquelle les coordonnées du périmètre de la bulle sont enregistrées sous forme digitale et traitées pour donner une information quantitative sur l'histoire de la bulle et sur le coefficient de transfert thermique. Les photographies montrent que les formes successives des bulles durant leur histoire vont de la sphère à un hémisphère, à un ellipsoïde, à une sphère puis au collapsus; les bulles à existence courte collapsent en ellipsoïde. Le temps de disparition et la hauteur de collapsus croissent quand la pression augmente et quand décroît la différence de température. Les vitesses d'ascention des bulles sont essentiellement constantes avec un domaine global de 15–22 cm/s. Les coefficients moyens de transfert thermique sont de l'ordre de 104W/m2K avec seulement des variations modestes en fonction du niveau de pression et de la différence de température. Les coefficients de transfert instantanés ne diffèrent pas sensiblement des coefficients moyens. Es wurden Versuche zur Untersuchung der Direktkontakt-Kondensation von gesättigten Dampfblasen, die in ruhendes, unterkühltes Wasser eingeleitet werden, durchgeführt. Die Versuche erfolgten bei Drücken von 10,3 bis 62, l bar, bei Unterkühlungen von 15–100 K und bei Anfangsblasendurchmessern von etwa 3 mm. Hochgeschwindigkeits-Filmaufnahmen wurden im Einzelbildverfahren ausgewertet, wobei die Blasenumfangskoordinaten digital aufgenommen wurden und anschlieβend zur quantitativen Ermittlung der Blasenzerfallsgeschichte und des Wärmeübergangskoeffizienten verwertet wurden. Die Fotografien zeigten, daβ die Blasen während des Zerfalls nacheinander Kugelform, Halbkugelform, Ellipsoidform und noch einmal Kugelform annehmen; kurzlebige Blasen zerfielen schon als Ellipsoide. Die Zerfallszeit und die Höhe, bei welcher der Zerfall eintritt, nahmen mit zunehmendem Druck und abnehmender Temperaturdifferenz zu. Die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen war im wesentlichen konstant und lag im Bereich von 15–22 cm/s. Die mittleren Wärmeübergangskoeffizienten lagen in der Gröβenordnung von 104Wm2 K und variierten nur geringfügig mit dem Druck und der Temperaturdifferenz. Die momentanen Wärmeübergangskoeffizienten wichen nur wenig von den mittleren Wärmeübergangskoeffizienten ab. ПpoBeдeNы экcпepимeNTaльNыe иccлeдoBaNия пpямoй кoNTaкTNoй кoNдeNcaции пyзыpькoB NacыщeNNoгo BoдяNoгo пapa, BBoдимыч B NeпoдBижNый NeдoгpeTый дo кипeг ия oбъeм Boды. ЭкcпepимeNTы пpoBoдилиcь B диaпaзoNe дaBлeNий 10,3–62,1 бap (150–900 фyNT/ кB. дюйм aбc.) пpи NeдoгpeBe oT 15 дo 100°c. NaчaльNый диaмeTp пyзыpькoB cocTaBлял oкoлo 3 мм. cNимки, пoлyчeNNыe BыcoкocкopocTNoй киNoкaмepoй, pacшифpoBыBaлиcь c пoмoщью пoкaдpoBoгo aNaлизa c цифpoBoй зaпиcью кoopдиNaT пepимeTpa пyзыpькoB, a зaTeм oбpaбaTыBaлиcь для пoлyчeNия кoличecTBeNNoй иNфopмaции o пpoцecce cчлoпыBaNия пyзыpькoB и зNaчeNияч кoэффициeNTa TeплooбмeNa. Na cNимкaч зaфикcиpoBaNы пocлeдoBaTeльNыe фopмы, пpиNимaeмыe пyзыpькaми дo paзpyшeNия: cфepичecкaя — пoлycфepичecкaя — эллипcoидNaя — cфepичecкaя. Пyзыpьки c NeпpoдoлжиTeльNым BpeмeNeм жизNи paзpyшaлиcь B эллипcoидNoй cTaдии. Bpeмя жизNи и BыcoTa пoдъiмa пyзыpькa дo cчлoпыBaNия yBeличиBaюTcя c yBeличeNиeм дaBлeNия и yшeNьшeNиeм paзNocTи TeмпepaTyp. cкopocTь пoдъiмa пyзыpькoB былa B ocNoBNoм пocToяNNoй и paBNялacь 15–22 cм/ceк. KoэффициeNT TeплooбмeNa B cpeдNeм cocTaBлял 104 Wm2-°C (1750 Btu/h-ft2-°F) и Toлькo NeзNaчиTeльNo измeNялcя c измeNeNиeм дaBлeNия и paзNocTи TeмпepaTyp. 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