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

•На рисунке показана обработка большого количества опытных данных по qкр для воды и различных органических жидкостей. Видно, что представленные данные вполне удовлетворительно обобщаются в координатах формулы. Значение qкр p в расчетах может быть принято или

по имеющимся опытным данным для рассматриваемой жидкости, или

41

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

•Термодинамический подход к явлениям кризиса при кипении жидкости предложен в работах Скрипова. При таком подходе кризис рассматривается как единое явление, которое начинается при достижении перегрева поверхности на кривой кипения в точке B и заканчивается в точке C. Основной величиной, определяющей кризис пузырькового кипения, является температура стенки Tст. Полное прекращение пузырькового кипения обусловлено достижением жидкостью у стенки предельного перегрева, при котором устойчивое состояние жидкой фазы становится невозможным. Из термодинамики известно, что верхняя граница метастабильных

состояний перегретой жидкости (температура предельного перегрева Tп) определяется из условия ( p/ V)T = 0. На рисунке приведена диаграмма p – T для воды, где метастабильным состояниям соответствует область, расположенная между кривыми Tп и Ts (здесь К – критическая точка).

42

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

•Таким образом, по Скрипову кризис кипения по своей природе выступает как термодинамический кризис устойчивости жидкой фазы при заданном давлении. Как видно из рисунке, область метастабильных состояний перегретой жидкости становится очень узкой при высоких давлениях (вблизи критической точки). Поэтому именно в этой области (при значениях p/pкр > 0,5 0,6) наиболее вероятно проявление кризиса кипения как термодинамического кризиса.

•В тепловой модели кризиса (Росеноу, Лабунцов, Кириченко и др.) принимается, что в точке максимума теплового потока на кривой кипения (точка B на кривой кипения) число центров парообразования, действующих на поверхности нагрева, становится настолько большим, что они сливаются друг с другом, образуя изолирующий паровой слой.

•В действительности различные виды кризиса кипения, по-видимому, действуют одновременно и в зависимости от конкретных условий один из них преобладает. Наиболее распространенная гидродинамическая модель кризиса пузырькового кипения, впрочем как и другие известные модели, не описывает влияние ряда факторов, на критический тепловой поток. Поэтому следует рассмотреть этот вопрос более подробно.

43

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Влияние некоторых факторов на критический тепловой поток.

•Один из факторов, от которого существенно зависит величина критического теплового потока, – размер нагревателя. На рисунке представлены многочисленные опытные данные для разных жидкостей (вода, органические жидкости), которые показывают как меняется критерий устойчивости k, а следовательно и qкр, в зависимости от отношения диаметра цилиндрического горизонтального нагревателя d к величине капиллярной постоянной

•При значениях d/b > 2 имеет место автомодельность критерия k относительно диаметра нагревателя и k 0,14. При d/b 0,5 наблюдается максимум величины k, а при d/b 0,05 – минимум. После этого k снова возрастает. Очевидно, что рост критического теплового потока для проволочных нагревателей малого размера вызван значительным увеличением конвективного переноса тепла.

44

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

•Роль конвекции особенно существенна в случае кипения жидкостей, объем которых имеет температуру ниже температуры насыщения. В экспериментах установлено, что зависимость критического теплового потока от недогрева жидкости Tнед = Ts – Tж носит линейный характер

1 3/ 4 cp Tнед ,qкр Aqкр 0

•при этом по результатам ранних опытов было принято считать A 0,1. Однако позже

было показано, что при кипении жидкости с недогревом критический тепловой поток является сложной функцией недогрева жидкости Tнед и диметра нагревателя d. Для

• где qкр* определяется по формуле при k = 0,14.

45

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

•Сопоставление опытных данных разных авторов с результатами расчетов qкр на рисунке 1, из которого следует, что отклонение опытных точек от расчетной зависимости в основном не превышает 25 %. Характер влияния недогрева воды и диаметра нагревателя на критический тепловой поток в диапазонах параметров d/b и

нед (ρ / ρ )3/ 4 cp Tнед / r

•исследованных в упомянутых выше экспериментах, показан на рисунке 2.

(1)(2)

•Как видно из рисунка 2, увеличение недогрева воды приводит к значительному росту критического теплового потока, особенно сильному в случае относительно тонких нагревателей, у которых d/b < 0,1.

46

потока существенно зависит от ориентации поверхности нагрева в поле сил тяжести. В качестве примера можно привести полученную в опытах с жидким гелием зависимость qкр от угла наклона стального диска диаметром 25 мм по отношению к

горизонтали.

•Аналогичный вид зависимостей qкр = f( ) найден в опытах с другими жидкостями. Значительное уменьшение qкр на плоских участках, обращенных греющей поверхностью вниз, связано с затрудненностью эвакуации паровых пузырей.

47

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

•К числу факторов, от которых может зависеть критический тепловой поток, но учесть количественное влияние их весьма затруднительно, следует отнести состояние (поверхностные условия) и теплофизические свойства теплоотдающей стенки.

•Известно много опытных данных, которые указывают на отсутствие существенного влияния микрошероховатости поверхности нагрева на величину критического теплового потока. Вместе с тем, опираясь на другие экспериментальные факты, некоторые авторы утверждают, что на шероховатых

поверхностях qкр несколько выше, чем на гладких. Например, значение qкр удается увеличить приблизительно на 20 – 30 %, если на поверхности теплообмена образовать достаточно крупные макронеровности (отверстия, регулярно расположенные канавки и т.п.).

•Уровень смачиваемости поверхности нагрева жидкостью

оказывает определенное влияние на критический тепловой поток. С увеличением краевого угла смачивания qкр быстро уменьшается. На рисунке приведены результаты исследований зависимости qкр от для воды зарубежными авторами. Обращает на себя внимание значительный разброс полученных опытных данных.

48

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

•Аладьев и Яшнов на основании результатов собственных измерений установили следующую зависимость:

•Несколько противоречивы опытные данные о влиянии на критический тепловой поток теплофизических свойств материала и толщины теплоотдающей стенки. Наиболее подробно этот вопрос теоретически и в экспериментальном плане исследован в работах Григорьева и сотрудников. В них особо подчеркивается важная роль параметра тепловой активности стенки при переходе от пузырькового кипения к пленочному. Анализ ряда опытных данных показывает, что когда толщина нагревательного элемента становится меньше глубины проникновения температурных флуктуаций, сопровождающих рост паровых конгломератов на поверхности нагрева, уменьшение толщины теплоотдающей стенки приводит к убыванию величины критического теплового потока.

49