Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Обобщенные зависимости.

•Развивая данный метод в своих дальнейших исследованиях, Боришанский с сотрудниками привлекли к обобщению дополнительные опытные данные и путем анализа размерностей влияющих на теплообмен физических свойств жидкостей на линии насыщения выразили масштабный коэффициент в формуле через термодинамические параметры вещества. Результаты обобщения экспериментальных данных приведены на рисунке.

31

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Обобщенные зависимости.

•Окончательная форма обобщенной зависимости имеет вид:

•R – универсальная газовая постоянная, – молекулярная масса вещества, pкр и Tкр – давление и температура в критической точке, Ts – температура на линии насыщения.

32

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Обобщенные зависимости.

•Одна из наиболее известных обобщенных зависимостей, полученных на основе модельных представлений о механизме теплообмена при кипении, принадлежит Лабунцову. В модели Лабунцова предполагается, что высокая интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении определяется малым термическим сопротивлением остающейся на стенке тонкой жидкостной прослойки, теплопередача через которую осуществляется в основном путем теплопроводности. Расчет толщины этой прослойки из-за сложной, хаотичной природы процесса пузырькового кипения затруднен, поэтому оценка этой величины может быть проведена только приближенно. В результате качественных оценок микрохарактеристик беспорядочного процесса, в котором движение жидкости можно характеризовать в среднем как периодическое, Лабунцов установил связь между коэффициентом теплоотдачи, плотностью теплового потока на стенке и теплофизическими параметрами кипящей жидкости

•Значение коэффициента A в формуле подобрано по опытным данным

33

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Обобщенные зависимости.

•На рисунке приведено сопоставление предыдущей зависимости (кривая 1) с опытными данными для воды.

34

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Обобщенные зависимости.

•За рубежом наиболее популярна обобщенная зависимость для теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении жидкостей в большом объеме, предложенная Росеноу,

•где значение коэффициента Csf зависит от поверхностных условий и для различных комбинаций “жидкость – поверхность нагрева” может изменяться в пределах от 0,0025 до 0,015. Для воды в среднем принимается Csf = 0,013.

• На рисунке приведено сопоставление формулы с опытными данными для воды в диапазоне давлений 1 – 17 МПа. Разброс данных при этом в среднем составляет около 20 %.

35

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Критический тепловой поток

•Употребляемый в данном разделе термин – критический тепловой поток qкр означает максимальную плотность теплового потока, которая может быть достигнута при пузырьковом кипении жидкости на теплоотдающей стенке (точка B кривой кипения, значение qкр 1). Знание этой величины представляет большой практический интерес, потому что:

•во-первых, критический тепловой поток ограничивает возможность отвода тепла от поверхности нагрева с высокой интенсивностью, характерной для режима пузырькового кипения;

•во-вторых, в условиях, когда тепловой поток на поверхности теплообмена является независимо задаваемой величиной, даже небольшое превышение значения qкр приводит к резкому увеличению температуры стенки в результате смены пузырькового кипения на пленочное, при этом скачок температуры может быть настолько велик, что может привести к разрушению стенки (ее пережогу).

36

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизм и физические модели кризиса пузырькового кипения.

•Изучению механизма смены пузырькового кипения на пленочное, или кризиса пузырькового кипения посвящено значительное количество работ. В любом случае такая смена связана с прекращением контакта жидкости с твердой стенкой в результате оттеснения жидкой фазы от поверхности нагрева и полного испарения остающейся на ней жидкостной прослойки. Образование на стенке сплошной паровой пленки с весьма низкой теплопроводностью приводит к значительному падению коэффициента теплоотдачи, при этом температура теплоотдающей поверхности быстро повышается при неизменной тепловой нагрузке. Вопрос заключается в выяснении механизма протекания кризиса кипения и раскрытии главных причин, следствием которых является коренная перестройка структуры двухфазного пограничного слоя.

•В настоящее время существует несколько подходов к объяснению кризиса пузырькового кипения. Наиболее известные из них основаны на гидродинамической модели кризиса, термодинамической модели и тепловой модели.

37

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизм и физические модели кризиса пузырькового кипения.

•Гипотеза о гидродинамической природе кризисов кипения впервые была выдвинута Кутателадзе. В основе модели Кутателадзе лежит предположение о том, что переход от одного режима кипения к другому является следствием потери устойчивости двухфазного пограничного слоя, вызванной воздействием чисто гидродинамических факторов. В частности, кризис пузырькового кипения (первый кризис по терминологии Кутателадзе) возникает, когда скорость движения пара становится равной критической величине w кр, при этом турбулентное перемешивание в пограничном слое настолько велико, что молекулярной вязкостью жидкости и пара можно пренебречь. Рассматривая явление кризиса кипения на обращенной греющей стороной вверх плоской горизонтальной поверхности больших размеров, где возникновение паровой пленки равновероятно на любой ее части, Кутателадзе методами теории подобия получил критерий гидродинамической устойчивости

• или после извлечения квадратного корня и замены w кр на скорость парообразования

38

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизм и физические модели кризиса пузырькового кипения.

•Значение критерия устойчивости k в формуле определяется по опытным данным. На рисунке приведено сравнение результатов расчета qкр по формуле при k = 0,14 с измерениями критической плотности теплового потока в большом объеме кипящей воды.

•Видно удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных. Кривая qкр = f (p) имеет характерный максимум при p 1/3 pкр (для воды pкр = 22,1 МПа). При исследовании кризиса кипения в большом объеме других жидкостей установлены зависимости критического теплового потока от давления, подобные показанной на рисунке, при этом в каждом случае величина k имеет постоянное значение, которое в зависимости от условий конкретного эксперимента может изменяться от 0,13 до 0,2.

39

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизм и физические модели кризиса пузырькового кипения.

•В гидродинамической модели Зубера кризис кипения рассматривается как следствие неустойчивости системы, состоящей из движущихся навстречу друг другу столбов пара и струй жидкости (неустойчивость по Гельмгольцу). Из этой модели следует аналитическое выражение, практически совпадающее с предыдущим, при этом критерий k находится в пределах

•Для широкой области давлений можно использовать простой и удобный метод определения критических тепловых потоков при кипении в большом объеме различных жидкостей, предложенный Боришанским. В основе этого метода лежит общее предположение, что для подобных в термодинамическом отношении групп веществ должна существовать однозначная связь между приведенными к соответственным состояниям параметрами этой группы и относительным давлением p/pкр. В частности, в случае критического теплового потока эта связь может быть выражена как

qкр p / qкр p F ( p / pкр ) ,

•где qкр p и qкр p – критический тепловой поток соответственно при давлении p и выбранном стандартном (реперном) давлении p*, F – универсальная функция p/pкр.

40