Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Интенсификации теплообмена в каналах. Обзор литературы 13
1.1. Способы интенсификации теплообмена 13
1.1.1. Поверхностные турбулизаторы потока 14
1.1.2. Закрутка потока 20
1.2. Смерчевой эффект при продольном обтекании турбулентным потоком поверхности со сферическими углублениями («лунками») и его влияние на тепломассообмен 34
1.2.1. Смерчевой эффект при обтекании поверхности с единичным сферическим углублением однофазным потоком 34
1.2.2. Влияние смерчевого эффекта на гидравлическое сопротивление и теплообмен в плоских щелевых каналах и трубах 55
1.2.3. Влияние смерчевого эффекта на теплообмен в каналах и трубных пучках при кипении 63
1.3. Интенсификация теплообмена в закризисной области 66
1.3.1. Особенности теплообмена в закризисной области 66
1.3.2. Методы интенсификации теплообмена в закризисной области. 73
1.4. Постановка задачи настоящего исследования 81
Глава 2. Методика экспериментального исследования 83
2.1. Описание экспериментальной установки 83
2.2. Экспериментальный участок и сменные трубки 86
2.3. Методика проведения опытов и обработки экспериментальных данных 94
Глава 3. Результаты экспериментального исследования 101
3.1. Влияние лунок на величину критических тепловых потоков 101
3.2. Исследование влияния лунок на интенсивность теплоотдачи в закризисной области 108
3.3. Гидравлические испытания экспериментального участка с внутренними трубками всех типов 120
Глава 4. Обобщение экспериментальных данных по интенсификации теплоотдачи лунками в кольцевом канале 123
4.1. Физическая модель процессов тепломассообмена в лунке 123
4.2. Обобщение экспериментальных данных 127
Заключение 134
Литература
- Смерчевой эффект при продольном обтекании турбулентным потоком поверхности со сферическими углублениями («лунками») и его влияние на тепломассообмен
- Интенсификация теплообмена в закризисной области
- Экспериментальный участок и сменные трубки
- Гидравлические испытания экспериментального участка с внутренними трубками всех типов
Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния системы сферических лунок на критические тепловые потоки и коэффициенты теплоотдачи при кипении пароводяной смеси в кольцевом канале в закри-зисной области.
Актуальность темы. Проблема интенсификации теплообмена давно стоит перед исследователями и инженерами. К настоящему времени накоплен большой опыт в этой области. Изобретено, исследовано и применяется на практике большое количество методов интенсификации теплоотдачи в каналах, при течении в них как однофазных теплоносителей, так и двухфазных сред. Применение различных способов интенсификации теплообмена может существенно повысить теплоотдачу, однако в подавляющем большинстве случаев это влечет за собой существенный рост гидравлического сопротивления, увеличивающий затраты на циркуляцию теплоносителя в рабочем контуре и часто делающий интенсификацию теплоотдачи неэкономичной.
В конце 80-х годов прошлого века внимание специалистов привлек эффект увеличения интенсивности теплоотдачи при обтекании жидкостью или газом теплообменной поверхности с выдавленными на ней сферическими углублениями, иначе называемыми «лунками». Изучение физики протекающих при этом процессов показало, что при обтекании потоком лунок в них самогенерируются вихревые течения в виде смерчей, нарушающие известную аналогию Рейнольдса между теплообменом и обменом импульсом. Проведенные исследования с однофазными потоками показали, что в этих условиях интенсивность теплоотдачи увеличивалась в 1,5-3 раза, причем вопреки ожиданиям сопротивление возрастало не так значительно, а иногда даже оставалось на прежнем уровне. Отмечено также, что чем менее интенсивна начальная теплоотдача от гладкой поверхности, тем заметнее эффект ее интен-
сификации лунками. При сильно развитой турбулентности с мощными вихрями относительный вклад смерчевого эффекта должен снижаться, что подтвердилось при изучении указанного эффекта в условиях кипения жидкости на теплоотдающей поверхности: интенсификация теплоотдачи оказалась несущественной.
Кипение жидкости на обогреваемой поверхности широко используется для эффективного охлаждения теплоотдающих поверхностей различных аппаратов, для генерации пара в теплоэнергетике. При этом предельным тепловым потоком является критический, когда либо имеет место переход от пузырькового режима кипения к пленочному (кризис первого рода), либо, при дисперсно-кольцевом режиме обтекания стенки пароводяной смесью, кипящая на ней пленка жидкости высыхает вследствие недостаточной интенсивности орошения стенки летящими в потоке каплями (кризис второго рода). В обоих случаях кризис сопровождается резким повышением температуры стенки: большим при кризисе первого рода и заметно меньшим при кризисе второго рода. В первом случае трубы, даже изготовленные из нержавеющей стали или жаропрочных хромоникелевых сплавов, разрушаются от потери прочности или прогорают. Во втором - существует область режимных параметров (высокие давления и массовые скорости), при которых наступление кризиса кипения приводит лишь к умеренному повышению температур стенки, не превышающих допустимые (около 900 К), при которых возможна длительная работа испарительных поверхностей в условиях ухудшенной теплоотдачи к рабочей среде. Именно в этой закризиснои области, где отсутствует контакт стенки с жидкой фазой и теплота отводится только через паровой пристенный слой и где коэффициенты теплоотдачи невелики, интенсификация теплообмена приобретает особое значение. Здесь смерчевые структуры, самогенерируемые в лунках, должны выбрасывать от стенки в поток перегретую паровую массу, а на ее место всасывать теплоноситель из пароводяного потока, содержащий капли насыщенный или слабо перегретый пар. Можно ожидать, что столь интенсивный массоперенос у стенки приведет к повыше-
нию критических тепловых потоков, а при их достижении существенно снизит величину температурного скачка. Последующее увеличение теплоотдачи в закризисной зоне снизит температуру стенки, обеспечив необходимую надежность работы теплообменных поверхностей, и расширит область рабочих параметров в сторону уменьшения массовых скоростей и паросодержаний, а также повышения допустимых тепловых потоков.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование интенсификации теплоотдачи с помощью сферических лунок к кипящей пароводяной смеси в закризисной области при вынужденном ее движении в кольцевом канале.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Получены новые экспериментальные данные по критическим тепловым потокам в широком диапазоне изменения режимных параметров (давление Р= 17,7 4-21,7МПа, массовая скорость ри> = 200-ь550кг/(м2с), относительная энтальпия (паросодержание) X от недогрева воды до перегретого пара) в кольцевом канале со сферическими лунками при различном их расположении на обогреваемой поверхности и проведено сравнение с данными по критическим тепловым потокам в гладком кольцевом канале.
Получены новые экспериментальные данные по коэффициентам теплоотдачи в закризисной области для кольцевого канала с различной геометрией расположения лунок и проведено сравнение с коэффициентами теплоотдачи в гладком канале при различных режимных параметрах рабочей среды.
Получена обобщающая зависимость для теплоотдачи в виде эмпирической формулы в безразмерных критериях, учитывающая, как режимные параметры теплоносителя, так и геометрические характеристики экспериментального кольцевого канала.
Практическая ценность работы определяется полученными новыми данными по интенсификации теплоотдачи лунками при кипении пароводяной смеси в кольцевом канале в закризисной области теплообмена, характер-
ной для режимов работы аппаратов кипящего типа теплоэнергетических установок, в том числе прямоточных паровых котлов высокого и сверхвысокого давления.
Основные положения, выносимые на защиту:
Экспериментальные данные по влиянию систем сферических лунок и геометрии их расположения на критические тепловые потоки при движении в кольцевом канале кипящей пароводяной смеси.
Экспериментальные данные по влиянию на коэффициенты теплоотдачи в закризисной области кипения пароводяной смеси лунок и их расположения на теплоотдающей поверхности.
Обобщающая эмпирическая зависимость для теплоотдачи к пароводяной смеси в закризисной области, справедливой в пределах исследованного диапазона режимных и конструктивных параметров.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Закрутка потока для повышения эффективности теплообменников» (Москва, 2002 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 4 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 172 страницах, включающих 87 рисунков, 92 наименования литературы, 21 страницу таблиц экспериментальных данных.
Содержание работы. Во Введении изложены цели работы и определен круг задач, подлежащих решению в процессе исследований; сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и приведена структура диссертации.
В первой главе дан аналитический обзор публикаций, посвященных исследованию известных методов интенсификации теплообмена, использующих для повышения теплоотдачи как турбулизацию пристенных погранич-
ных слоев теплоносителя с помощью дискретных выступов, так и закрутку потока различными устройствами, а также различные комбинации этих методов применительно к течению в каналах однофазных теплоносителей - воды и воздуха. Обозначены основные преимущества и недостатки существующих методов интенсификации теплообмена. Рассмотрены структура течения и теплообмен в уединенной сферической лунке, а также влияние на те-плогидравлические характеристики каналов нанесенных на их теплоотдаю-щую поверхность систем сферических лунок. Проводится анализ особенностей теплообмена при кипении в закризисной области и методов интенсификации теплообмена в этих условиях. По результатам анализа делается вывод о перспективности исследований влияния на теплообмен в закризисной области смерчевых структур, самогенерирующихся в лунках.
На основании материалов литературных данных сформулированы основные задачи настоящего исследования.
Во второй главе, посвященной методическим вопросам проведения экспериментов, описаны экспериментальный парогенерирующий стенд, экспериментальный участок и сменные трубки с различной геометрией расположения сферических лунок на их наружной поверхности, методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных.
В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования. Получены массивы данных по критическим тепловым потокам и коэффициентам теплоотдачи в кольцевом канале гладком и с лунками в условиях изменения давления Р от 17,7 до 21,7 МПа, массовой скорости pw от 200 до 550 кг/(м с) и относительной энтальпии X от недогрева воды до перегретого пара. Проведено исследование влияние наличия лунок и их расположения на гидравлическое сопротивление в канале.
В четвертой главе дается физическая модель процессов тепломассообмена в лунке в условиях кризисов кипения первого и второго рода, а также в закризисной области. Проводится обобщение полученных экспериментальных данных по коэффициентам теплоотдачи в кольцевом канале с системой
сферических лунок с получением зависимости в виде эмпирической формулы, справедливой в диапазоне исследованных режимных параметров среды и геометрических параметров экспериментального канала.
В заключении дается краткое изложение результатов данной работы.
В приложении приводятся массивы полученных экспериментальных данных по критическим тепловым потокам и коэффициентам теплоотдачи, сформированные в виде таблиц.
Работа выполнена в Институте высоких температур Российской академии наук при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №98-02-17323).
«
Смерчевой эффект при продольном обтекании турбулентным потоком поверхности со сферическими углублениями («лунками») и его влияние на тепломассообмен
Устойчивой вихревой структуры - «смерча» (рис. 1.24, б) [32]. Полученная авторами [30] с помощью микрозонда в виде трубки Пито-Прандтля картина течения в «отрывном» углублении приведена на рис. 1.25. Из его рассмотрения следует, что в характерном для лунок потоке с возвратным течением и вихрями застойные зоны отсутствуют, а тепломассоперенос зависит от интенсивности возвратных течений (осредненная скорость которых составляет примерно 0,4 Woo [33]), на которых, конечно, сказывается не показанный на этом рисунке смерч.
Самой ранней публикацией, в которой описывается структура отрывного обтекания полусферической лунки, является, по-видимому, [34]. Авторы обнаружили, что в диапазоне скоростей обтекания потоком воздуха от 15 до 66 м/с в полусферической лунке диаметром около 73 мм реализовывалось имевшее два устойчивых состояния вихревое течение, эпицентр которого располагался не на оси лунки, а справа или слева от нее. При этом ось вихря была сильно наклонена по отношению к основному потоку, и это положение было устойчивым и не изменялось во всем исследованном диапазоне скоростей.
Авторы [35] путем визуализации с помощью дыма наблюдали при продольном обтекании турбулентным потоком воздуха полусферической лунки диаметром 30 мм, как внутри нее происходит образование вихревых структур в диапазоне скоростей 0-15 м/с. При малых скоростях потока (до 3 м/с) наблюдалось симметричное обтекание, представлявшее собой подковообразный вихрь, в свою очередь состоявший из пары симметричных вихрей. С увеличением скорости до 3,6 м/с режим симметричного обтекания становился неустойчивым и сменялся несимметричным режимом. На одной стороне от плоскости геометрической симметрии поток входил в лунку, закручивался в ней и выходил с другой стороны плоскости, причем происходило чередование образования левого и правого смерчей. Период их смены зависел от скорости набегающего потока и менялся с ростом скорости от минут при ж» = 4 м/с до долей секунды при Woo = 15 м/с. Переключение направления вращения смерчей сопровождалось интенсивным массообменом между лункой и внешним потоком, что, по-видимому, и является следствием выброса смерча из лунки.
Визуализация потока тепла с помощью тепловизионной техники при турбулентном обтекании потоком воздуха полусферической лунки того же диаметра в исследованиях [36] также показала наличие переключений направления вихря, выходящего из лунки в виде колебаний в распределении потока тепла от поверхности с лункой: при скорости Woo = 25 м/с переключения происходили через доли секунды, а с уменьшением скорости до 10 м/с время переключений увеличилось до 1 с. Обтекание полусферической лунки диаметром 20мм сверхзвуковым потоком воздуха (Моо=4, Re = 3,l-106) в [37], напротив, выявило стационарную картину течения в лунке, представлявшую собой пару несимметричных вихрей относительно продольной оси симметрии.
Исследования [38] обтекания плоскопараллельным потоком дистиллированной воды одиночных полусферических лунок диаметрами 2, 3 и 4 мм, выполненных на донной поверхности прямоугольного канала сечением 19x2 или 19x8мм2, также выявили сложную картину течений в лунке, схожую с описанной выше. Визуализация процесса осуществлялась с помощью подсветки потока лазерным излучением. При небольших скоростях набегающего потока (Woo « 2 м/с) наблюдалось лишь небольшое искажение линий тока над лункой, что соответствовало режиму ламинарного обтекания. При дальнейшем увеличении скорости наблюдалось все большее искривление траекторий подсвеченных частиц и при скорости w« « 6 м/с, когда общее искажение траекторий захватывает почти половину высоты слоя воды над лункой, часть траекторий приобретает витки в 1-2 оборота и, наконец, из подобных витков образуется конус, обращенный вершиной в лунку и лежащий основанием на оси течения.
Интенсификация теплообмена в закризисной области
Для оценки перспективы использования смерчевого эффекта в закризисной области работы парогенерирующих труб рассмотрим особенности теплообмена в этих условиях.
Теплообмену в закризисной области посвящено немало работ, которые обобщены в монографии [63]. Это исследования, проведенные многими авторами в широком диапазоне параметров и в самых разнообразных условиях эксперимента: в трубах и кольцевых каналах, при вертикальных и горизонтальных, подъемных и опускных течениях различного рода жидкостей. И во всех случаях отмечалась общая закономерность - сразу с достижением кризиса температура обогреваемой стенки резко возрастала, иногда на несколько сотен градусов. Обычно это происходило в конце трубы и во избежание ее разрушения часто требовало мгновенного отключения нагрузки. Однако име -67 qKp, МВт область параметров (высокое давление, большое массовое паросодержа-ние), где кризисные скачки температуры не превышают 100-200 К. Вот в этой области, представляющей большой практический интерес, прежде всего для прямоточных парогенераторов, и ведутся исследования теплоотдачи в закризисных условиях.
В этом случае произошедший при некоторой тепловой нагрузке q кризис приводит к неопасному повышению температуры стенки трубы Т и до предельной ее величины - Т 900 К - есть запас. При увеличении q кризис сдвигается по трубке навстречу потоку теплоносителя, а с ним передвигается и зона высоких температур стенки, растущих по мере увеличения q. И так до достижения в самой горячей точке предельного значения Т , которая в большинстве описанных в [63] исследований принималась равной 850 К.
Величина АГст = Т - Ts, помимо теплового потока, зависит от массовой скорости теплоносителя рн , давления Р и паросодержания X.
Наиболее четко весь процесс перехода через кризис и установления температурного режима в закризисной части трубы описан в работе [66]. Опыты велись на стенде прямоточного типа при течении в нем с заданными значениями pw, Р и Хвх воды или пароводяной смеси, получаемых путем охлаждения и дросселирования пара закритических параметров от прямоточного котла. Экспериментальный участок представлял собой длинную (до 1500 мм) гладкую трубку диаметром 8 мм с установленными на ней термопарами, обогреваемую путем пропускания через нее электрического тока от понижающего трансформатора. Выделяющееся тепло отводилось протекающей по трубке водой или пароводяной смесью. С увеличением тока возрастал удельный тепловой поток q и, наконец, обычно в конце трубки возникал кризис кипения, фиксируемый одной или несколькими из установленных термопар. На рис. 1.43, где показан температурный режим парогенерирующей трубки при Р = 9,8МПа и ри = 1400кг/(м с), такой момент был зафиксиро-ван при q = qKp = 230 кВт/м . При этом термопара показывала температуру Тст, превышающую температуру насыщения Ts (при Р = 9,8МПа,
Значение X в зоне кризиса 0,7. При Х 0,7 -закризисная область. С увеличением q до 350 кВт/м , кризис передвигается навстречу потоку и фиксируется при Х= 0,65, критический скачок температуры увеличивается вдвое - до 60 К. Увеличивается и закризисная область, и повышаются отвечающие ей температуры стенки Гст. И так далее пока, на-конец, при q = 870 кВт/м и Х= 0,48 величина Тст в своем максимуме не достигла 825 К, и на этом опыт прекращался во избежание разрушения трубки.
На рис. 1.44 приведены аналогичные данные по температурному режиму той же трубки при Р= 16,6 МПа и pw= 1400кг/(м с), из которого следует, что с повышением давления закризисная зона расширяется в сторону более низких X— до 0,37. При давлении 21,6 МПа (рис. 1.45) она распространяется еще дальше — далеко в сторону кипения недогретой воды до Х= - (1,5 4- 2).
В описанных условиях начальная часть трубки по-прежнему работает в области пузырькового кипения, в середине трубки произошел кризис, где величина Гст максимальна, а за ним большая закризисная область с температурами Гст, существенно (на 100-200 К) превышающими Ts, но несколько снижающимися по мере увеличения X. Очевидно, это объясняется увеличением линейной скорости пара в результате испарения воды. К моменту Х= 1 вся влага (по балансу) испаряется, и в теплообмене со стенкой участвует только пар. Интенсивность теплоотдачи обеспечивается однофазным потоком. Скорость в этой зоне меняется мало, изменения же теплофизических свойств пара таково, что теплообмен снова ухудшается и Гст растет. Теплообмен горячей стенки с перегретым паром рассчитывается по известным формулам, например, в соответствии с рекомендациями [67].
Экспериментальный участок и сменные трубки
Для проведения исследований интенсификации теплообмена с помощью лунок был сконструирован и изготовлен из аустенитной нержавеющей стали 1Х18Н10Т экспериментальный участок, представленный на рис. 2.2. Из нескольких вариантов был выбран кольцевой канал с несменяемой гладкой на -87 Puc. 2.2. Схема экспериментального участка ружной трубкой 1 с наружным диаметром 18 и толщиной стенки 2 мм и со сменяемой внутренней трубкой 2 с наружным диаметром 10 и толщиной стенки 1 мм. Образованная этими трубками кольцевая щель имела ширину 5 = 2 мм. Поверхность внутренней трубки могла быть гладкой или с нанесенными на ней интенсификаторами: в настоящей работе - системой сферических лунок.
К наружной трубке приварены фланцы 3 с патрубками 4 и системой каналов для подвода и отвода теплоносителя - воды или пароводяной смеси. Фланцы 5 обеспечивали герметичность и электроизоляцию наружной трубки от внутренней. Для этой цели использовалась система электроизолирующих прокладок 6 с сальниковой втулкой 7 из специального материала. Такая конструкция уплотнения нижней части экспериментального участка, при которой нижний конец внутренней трубки оставался свободным, позволяла компенсировать продольные температурные расширения внутренней трубки при ее омическом нагреве во избежание деформаций. Обогрев производился прямым пропусканием переменного тока с помощью токоподводов со специальными зажимами 8, обеспечивавшими надежный электрический контакт с внутренней трубкой. Для центрирования наружной и внутренней трубок, а также во избежание их контакта в случае деформации одной из трубок, на наружной трубке крепились дистанционирующие штыри 9, установленные через 150 мм в трех сечениях по высоте экспериментального участка и фиксировавшие внутреннюю трубку с трех сторон (через 120) в каждом сечении. Была предусмотрена возможность замены центральной трубки как в случае ее разрушения в процессе кризиса кипения, так и при изменении ее конструкции, размеров, глубины лунок и распределения их по поверхности.
Измерение температуры стенки обогреваемой трубки производилось девятью хромель-копелевыми термопарами 10, вставлявшихся в виде двух жгутов 11 (каналы потенциометра №№1-5) и 12 (каналы потенциометра №№9-12) в полость внутренней трубки через ее верхний и нижний концы. Прижатие спаев термопар к стенке обеспечивалось за счет собственной упругости коротких (до 10 мм) участков термопарных проводов диаметром 0,3 мм, выступавших из жгута. Поскольку в опытах было обязательным достижение установившегося режима, при котором в каждом сечении внутренней трубки устанавливалась постоянная температура, то наличие надежного контакта спаев термопар со стенкой трубки не являлось существенным. Места расположения спаев внутри трубки фиксировались с точностью ±2 мм. Еще два канала потенциометра №7 и №8 были задействованы для измерения температуры теплоносителя погруженными в поток хромель-копелевыми термопарами на входе в экспериментальный участок (Гпвх) и на выходе из него (7ГХ).
Для обеспечения электроизоляции при центрировании внутренней трубки дистанционирующими штырями их наконечники вначале изготавливались из фарфорового цилиндрического стержня (рис. 2.3). Для уменьшения возмущения потока у поверхности обогреваемой трубки наконечниками им придавалась клиновидная форма с толщиной клина в точке упора не более 0,5 мм. Вследствие хрупкости фарфора такие наконечники часто разрушались, что вынудило перейти на использование наконечников из нержавеющей стали конической формы с диаметром в точке упора также не более 0,5 мм (рис. 2.4). В этом случае электроизоляция осуществлялась при помощи прокладки из высокотемпературного поронита и фарфоровой втулки, отделявших наконечник от самого штыря.
Внутренние трубки экспериментального участка конструктивно однотипны (рис. 2.5, а). Каждая трубка состояла из рабочей и вспомогательных частей. Рабочая часть 1 выполнялась из аустенитной нержавеющей стали 1Х18Н10Т. Вспомогательная часть состояла из фланца 2, выполненного также из нержавеющей стали, и медных наконечников 3 с внешним диаметром 14 мм. Все элементы соединялись при помощи пайки на термостойком серебряном припое.
Гидравлические испытания экспериментального участка с внутренними трубками всех типов
В основе физической картины влияния лунок на интенсивность теплообмена лежат экспериментальные исследования полей скоростей и структуры течения в лунке жидкости или газа [27-33], данные по визуализации вихревого течения в лунках [34-39] и численные исследования структуры потока них [47-51,60-62]. Согласно этим исследованиям картина течения в лунке соответствует схематично изображенной на рис. 1.24. Набегающий однофазный поток засасывается в лунку, закручивается в ней в результате возникновения возвратных течений в лунке (рис. 1.25), что приводит к самоорганизации вихря, выходящего из лунки и способствующего активному массообмену между пристенным пограничным слоем и ядром потока.
В настоящей работе исследуется двухфазная среда, что в принципе может оказать существенное влияние на картину вихревого течения в лунке. Однако при высоких давлениях 18-22 МПа значения плотностей воды р и пара р" сближаются, коэффициент поверхностного натяжения жидкой фазы а падает до значений (2,744-0,16)-10 Н/м, поэтому диаметр капель жидкости в двухфазном потоке очень мал и измеряется десятками микрон. Капли такого размера легко увлекаются паровой фазой и поэтому основной режим течения двухфазного потока при высоких давлениях - дисперсный, по структуре и свойствам наиболее близкий к однофазному потоку. Кризис теплоотдачи первого рода возникает при пузырьковом режиме кипения, когда интенсивность парообразования настолько велика, что двух фазный пристенный слой начинает препятствовать проникновению жидкости к поверхности нагрева. Возникает режим пленочного кипения [83, 84], т.е. обогреваемая поверхность покрывается сплошной пленкой пара, что схематично представлено на рис. 4.1, а. Образование устойчивой пленки пара на поверхности нагрева сопровождается резким увеличением термического сопротивления переносу тепла в ядро потока, приводящим к значительному повышению температуры обогреваемой поверхности. При наступлении кризиса такого типа резкое увеличение температуры стенки может привести к разрушению парогенерирующих поверхностей.
Переход пузырькового кипения в пленочное характерен для течения жидкости, недогретой до температуры насыщения, и парожидкостной смеси с относительно малыми паросодержаниями X.
Нанесенные на поверхность нагрева лунки срывают кипящий паровой слой, унося паровую фазу от стенки и обеспечивая приток к стенке жидкости из ядра потока (рис. 4.1, б). Критический тепловой поток увеличивается, что подтверждается данными исследований [64,65] (см. рис. 1.40-1.41) и настоящими исследованиями (см. рис. 3.6).
Кризис второго рода обычно наблюдается при более высоких массовых паросодержаниях и обусловлен высыханием тонкой пристенной жидкостной пленки на интенсивно обогреваемой поверхности (рис. 4.2, а). В физической модели предложенной в [83, 84] его происхождение связывается с особенностями течения парожидкостной смеси - с переходом от дисперсно-кольцевой структуры течения к дисперсной. В этом режиме течения жидкая фаза образует на поверхности нагрева непрерывную пленку, а паровая фаза - ядро потока с каплями жидкости. По мере увеличения паросодержания, а, следовательно, и скорости пара, из-за испарения и уноса влаги из пристенной зоны толщина жидкостной пленки постепенно уменьшается. При определенной толщине пленки устанавливается дисперсно-кольцевой режим течения, который характеризуется движением парокапельной смеси в ядре потока и тонкой пленки (микропленки) жидкости на поверхности нагрева. Постепенно с ростом паросодержания микропленка становится тоньше, интенсивность ее орошения каплями из ядра потока уменьшается и определяемый тепловым потоком расход жидкости на испарение становится преобладающим. Микропленка высыхает. Однако, как отмечено в [85-87], это происходит не сразу, а постепенно: микропленка распадается на отдельные ручьи с сухими пятнами, границы которых все время меняются, вследствие чего температура поверхности нагрева пульсирует. Как только с увеличением паросодержания или теплового потока микропленка полностью высыхает, коэффициент теплоотдачи резко падает, а температура стенки канала увеличивается. Рост температуры поверхности нагрева в этих условиях не столь значителен как в случае кризиса пузырькового кипения. С увеличением давления область возникновения кризисов второго рода существенно возрастает, ее левая граница смещается в сторону меньших X и при давлении Р « 22 МПа приближается к значениями»; 0.
Наличие лунки на обогреваемой поверхности приводит к усилению орошения стенки канала летящими в потоке каплями за счет затягивания их в лунку и осаждения на поверхности, в то время как паровая фаза из пристенного слоя подхватывается образующимися в лунке вихрями и выносится в ядро потока (рис. 4.2, б). Место кризиса сдвигается в сторону больших X, кризис, таким образом, затягивается и происходит при больших тепловых нагрузках q.
В закризисной области температура стенки больше температуры Лей-денфроста. Летящие в потоке мелкие капли жидкости не достигают поверхности канала, а испаряются в перегретом пристенном пограничном слое, охлаждая его (рис. 4.3, а). При наличии лунок на обогреваемой стенке (рис. 4.3, б) этот процесс активизируется - в пограничный слой попадает большее количество капель, температура слоя падает, что приводит к снижению температуры стенки канала, а, следовательно, к увеличению эффективного коэффициента теплоотдачи.
