7. Расчет теплоотдачи при поверхностном кипении

Процесс теплообмена при поверхностном кипении в условиях вынужденного движения теплоносителя отличается от кипения в условиях свободного движения. Принудительное движение жидкости оказывает непосредственное воздействие на механизм процесса парообразования, выражающийся в изменении условий смачивания, а также срыве паровых пузырей прежде, чем они достигнут отрывного диаметра.

При малых скоростях w интенсивность теплоотдачи определяется в основном тепловым потоком q, а при больших – скоростью w. О влиянии недогрева Δt указано ранее.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи α при поверхностном кипении жидкости должен зависеть от трех основных параметров: теплового потока q, скорости w и недогрева жидкости до температуры насыщения Δt:

α = f (q, w, Δt).

Наиболее удачной является эмпирическая формула расчета температуры поверхности [9], полученная на основе обработки большого числа экспериментальных данных с использованием теории термодинамического подобия. В этой формуле перегрев стенки представлен в виде степенной функции разности между действующей удельной тепловой нагрузкой q и той ее частью, которая отводится только за счет вынужденной конвекции: Δq = q – q_конв.

Так как конвективная составляющая теплового потока учитывает влияние скорости w и недогрева Δt, то в следующей формуле отражено влияние всех трех основных параметров

,

где Δq = q – α_конв(t_s – t_ж), Вт/м²; t_ст – температура стенки при развитом поверхностном кипении; M – молекулярная масса; t_s – температура насыщения, °С; T_s – температура насыщения, К; T_кр – критическая температура воды, К; p_к – критическое давление, Н/м².

В экспоненциальном члене отражено косвенно влияние давления в отношении T_н/T_кр, так как температура насыщения T_н зависит от давления.

Формула справедлива для режима развитого поверхностного кипения, для которого должно выполняться условие

.

В случае неразвитого кипения температура поверхности вычисляется по формуле

,

где Δt – перегрев поверхности при неразвитом поверхностном кипении.

Следует подчеркнуть, что в условиях поверхностного кипения температура анода намного ниже предельно допустимого значения для оболочек ЭВП (200…250 °С) и мало зависит от параметров потока жидкости, поэтому расход жидкости не может быть критерием для оценки предельных температур.

Представляется целесообразным основывать методику теплового расчета на явлении, присущем всякому кипению, а именно на кризисе кипения. В качестве критерия оценки надежности полученных расчетных данных целесообразно ввести коэффициент запаса R, обеспечивающий такое соотношение между рабочей и критической тепловой нагрузкой, которое исключает возникновение кризиса кипения.

Коэффициент запаса учитывает низкую точность определения критической нагрузки, а также возможное увеличение локальной тепловой нагрузки за счет децентрации электродов. На практике коэффициент запаса принимают R = 2…2,5.

Зависимости, связывающие критическую нагрузку с параметрами потока [10]:

;

;