Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теплообмен и кризисные явления при кипении в стекающих пленках (обзор литературы) 8
1.1. Модели критического теплового потока при кипении 8
1.2. Автоволновые процессы при кипении 32
1.3. Теплообмен при пузырьковом кипении 40
1.4. Динамика стекающих волновых пленок жидкости 49
1.5. Выводы из обзора литературы 54
1.6. Постановка задачи 56
ГЛАВА 2. Методика экспериментального исследования теплообмена в стекающих пленках жидкого азота ... 57
2.1. Экспериментальная установка 57
2.2. Рабочий участок 61
2.3. Методика измерений и проведения опытов 63
2.4. Оценка погрешностей измерений 66
ГЛАВА 3. Результаты экспериментального исследования теплообмена к кризиса теплоотдачи в стекающих пленках жидкого азота ...72
3.1. Теплообмен при кипении в стекающих пленках 72
3.2. Кризис теплообмена при кипении в стекающих пленках 86
ГЛАВА 4. Результаты численного моделирования тепловой устойчивости и эволюции локальных очагов пленочного кипения . 98
4.1. Постановка задачи и описание расчетной методики 98
4.2. Результаты численного эксперимента 104
Заключение 113
Выводы 115
Обозначения 116
Литература 118
- Динамика стекающих волновых пленок жидкости
- Методика измерений и проведения опытов
- Кризис теплообмена при кипении в стекающих пленках
- Постановка задачи и описание расчетной методики
Введение к работе
Актуальность работы. Пленочные течения жидкости широко используются в современных технологических процессах и теплообменных аппаратах: в системах жидкостного охлаждения электронных микрочипов, пленочных испарителях, ожижителях природного газа, в пищевой промышленности. В последние годы особенно актуальной стала проблема создания эффективных компактных пленочных систем охлаждения высокопроизводительных графических процессоров, быстродействие и срок жизни которых в существенной мере зависят от эффективности отвода рассеиваемой мощности. При достижении определенных тепловых потоков в стекающей по охлаждаемой поверхности пленке жидкости развиваются кризисные явления. На орошаемой поверхности возникают сухие пятна, которые при определенных условиях могут приводить к полному осушению теплоотдающей поверхности. Осушение теплоотдающей поверхности теп-лообменного аппарата приводит к аварийному разогреву и выходу устройства из строя. В подобных ситуациях необходимо надежное предсказание величины критического теплового потока, что требует выявления фундаментальных закономерностей возникновения и развития кризиса в стекающих пленках жидкости. Такой детальный анализ затруднен из-за ограниченного количества экспериментальных данных в условиях пленочного течения жидкости по обогреваемой поверхности в различных гидродинамических режимах течения. Широкое использование криогенных жидкостей в современных высокоэффективных системах и аппаратах создает необходимость получения надежной информации по развитию переходных и кризисных явлений при кипении и испарении на различных тепловыделяющих поверхностях в низкотемпературных жидкостях. В то же время исследование теплообмена при кипении и испарении криогенных жидкостей, ряд свойств которых существенно отличается от свойств высокотемпературных жидкостей, важно для углубления понимания изучаемых процессов, служит способом проверки существующих модельных описаний теплообмена и развития переходных и кризисных явлений.
Для гравитационных течений пленок насыщенной жидкости обычно выделяют три вида кризисных явлений, приводящих к осушению теплоотдающей поверхности: разрыв интенсивно испаряющейся пленки, полное испарение жидкости на длине теплоотдающей поверхности и оттеснение жидкости от поверхности нагрева при наступлении кризиса кипения. Для практически важных приложений большой интерес представляет наступление кризиса кипения на тепло-отдающей поверхности. Тем не менее, исследования особенностей кризисных явлений при кипении насыщенной жидкости в режимах как волнообразования, так и развитого волнового течения на ограниченных по длине тепловыделяющих поверхностях весьма немногочисленны.
Целью работы является: получение новых экспериментальных данных по интенсивности теплоотдачи в различных зонах тепловыделяющей поверхности вдоль течения, критической плотности теплового потока и развитию кризиса при
'ОС МационаУь^і БИБЛИОТЕКА {
s?wu\
кипении в стекающих волновых пленках жидкости при различных длинах нагревателя и степенях орошения; проведение численного моделирования тепловой устойчивости локальных сухих пятен при кипении. Научная новизна:
получены новые экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи в различных зонах вдоль течения пленки жидкости, показано влияние плотности теплового потока на интенсивность теплоотдачи;
получены новые опытные данные по критической плотности теплового потока при различных длинах и степенях орошения нагревателя. Полученные экспериментальные данные по критическому тепловому потоку заполняют не исследованную ранее область параметра We"1 (в диапазоне 0.001-0.2). Выявлены режимы и соответствующие определяющие параметры, при которых кризис реализуется распространением температурного возмущения вверх по потоку вследствие продольной теплопроводности в теплопередающей стенке. В этих режимах величина критического теплового потока существенно снижается относительно расчетов по известным гидродинамическим моделям;
на основе данных высокоскоростной визуализации фронта осушения обогреваемой поверхности при пленочном течении показан сложный двумерный характер границы смачивания. Полученные геометрические и пульсационные характеристики в зоне фронта могут быть использованы при численном моделировании устойчивости сухих пятен;
численно исследована тепловая устойчивость и эволюция последовательности двух очагов пленочного кипения в приближении трехзонной модели кривой кипения. Показано, что с уменьшением начального расстояния между очагами и увеличением их начального размера имеет место снижение порога тепловой устойчивости. Оценочные численные расчеты равновесной плотности тепловых потоков для сухих пятен при пленочном течении с условиями теплоотдачи, определяемыми экспериментально, дают качественное согласие с экспериментально наблюдаемыми значениями критической плотности теплового потока.
Достоверность полученных данных подтверждена оценкой величины погрешности измерений, постановкой специальных тестовых экспериментов и расчетов, сравнением с экспериментальными и теоретическими результатами других авторов.
Практическая ценность. Практическая значимость работы определяется важностью полученных результатов для количественного определения фаниц оптимальных и аварийных режимов работы различных типов теплообменников с высокой теплонапряженностью.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались автором на VII и VIII Всероссийской конференциях молодых ученых «Современные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.); конференции молодых ученых по математике, математическому
моделированию и информатике (Новосибирск, 2001 г.); Третьей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002 г.); XIV международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Рыбинск, 2003 г.), XV школе-семинаре (Калуга, 2005 г.). Кроме того, результаты, изложенные в диссертации, докладывались соавторами работы на различных международных и отечественных конференциях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.
Личное участие автора. Данная работа выполнена в 2000-2004 гг. в лаборатории низкотемпературной теплофизики (зав. лаб. д.ф.-м.н. А. Н. Павленко) Института теплофизики СО РАН. Постановка задач исследований осуществлена диссертантом совместно с научным руководителем А. Н. Павленко. Доработка экспериментального стенда, разработка программного обеспечения для автоматизации экспериментального исследования, разработка и изготовление рабочих участков выполнены автором самостоятельно. Проведение экспериментов и численных расчетов, обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных были проведены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии. Часть результатов по численным расчетам получена автором совместно с И. П. Стародубцевой. Автор выражает благодарность соавторам за обсуждение и анализ совместных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка обозначений и библиографического списка. Работа изложена на 124 страницах, иллюстрирована 42 рисунками и содержит список литературы из 108 наименований.
Динамика стекающих волновых пленок жидкости
В общем случае величина vj/ не является константой. Вблизи критических давлений непостоянством vj/ можно объяснить расхождения с зависимостью Katto and Shimizu [26] для критического теплового потока при нате-кании струи насыщенного фреона со скоростями до 20 м/с на обращенный вниз обогреваемый диск диаметром 10 мм. В этой работе в опытах с R-12 давление варьировалось от 6 до 27.9 бар, а опыты с фреоном R-113 проводились при атмосферном давлении. В этой работе было обнаружено, что
КТП перестает расти в зависимости от скорости при ее некотором Значении. Соотношение А 7АСТ считается постоянным [11, 12] или, по крайней мере, слабой функцией давления. Zuber [2] и Lienhard and Dhir [24] принимали А 7АСТ= я/16 из того, что диаметр паровых стволов определялся тейлоровской неустойчивостью. С другой стороны, Haramura and Katto [17] получали соотношение для A VAcr (формула (1.1.15)), приравнивая свое соотношение для КТП в большом объеме к классическому уравнению Ку-тателадзе-Зубера. Однако это предположение нельзя обобщить на случай кипения при вынужденных течениях жидкости. В любом случае, такие вариации величины А 7АСТ не будут оказывать значительного влияния на КТП. Это подтверждается схожестью теоретических соотношений (1.1.26), (1.1.20) и, например, эмпирической формулой Katto and Ishii [27]:
Формула (1.1.27) получена при обобщении измерений КТП на прямоугольном медном нагревателе, орошаемом струей насыщенной жидкости. Данные были получены на воде, фреоне R-113 и трихлорэтане на нагревателях шириной 15 мм и длинной 10, 15 и 20 мм. Угол падения струи варьировался в диапазоне 15-60, толщина струи от 0.56 до 0.77 мм. Скорость жидкости в струе изменялась от 1.5 до 15 м/с. В то время как экспериментальные данные по КТП описывались соотношением (1.1.27), данные по теплоотдаче удовлетворительно описывались соотношением для большого объема. Monde and Katto [28] измеряли КТП на обогреваемых дисках диаметром 11 и 21 мм при натекании струи насыщенной жидкости на центр диска. Эксперименты проводились с фреоном R-113 и водой при скоростях жидкости в струе от 5 до 26 м/с и диаметре струи 2 мм. Опытные данные были получены на нагревателях, ориентированных поверхностью вертикально вниз и вверх. Опытные данные обобщались эмпирической"формулой (1.1.28), безразмерные комплексы в которой были построены на анализе размерностей:
Ueda et al. [29] исследовали критический тепловой поток для пленок насыщенной жидкости, стекающей по внешней поверхности вертикально расположенного цилиндра высотой 180 мм и диаметром 8 мм. В работе проводились исследования для воды и фреонов R-113 и R-11 в диапазоне чисел Рейнольдса 1000-15000. Были изучены теплообмен и КТП. Полученные результаты выражены через скорость течения пленки и число Вебера для пленки на выходе из участка. Обсуждался вопрос о соотношении между скоростью уноса капель и скоростью испарения пленки. Экспериментальная кривая кипения была близка к кривой кипения в большом объеме жидкости. Было также обнаружено, что критические условия характери-зуются тремя типами, которые сменяют друг друга по мере увеличения скорости течения жидкой пленки (числа Рейнольдса). Критические усло вия первого типа [30], возникают, когда на выходе из обогреваемого участка степень орошения становится меньше степени орошения, необходимой для того, чтобы смочить поверхность после образования сухого пятна. В ситуации, когда реализуется минимальная степень орошения, динамический напор жидкости в пленке уравновешивается силой поверхностного натяжения на верхнем краю сухого пятна. Таким образом, как только локальная степень орошения в пленке становится ниже минимальной, жидкость больше не может повторно смочить возникшее сухое пятно и обогреваемая поверхность стремительно разогревается. Второй тип критических условий, описанных Ueda et al., реализуется при существенном пере- г., распределении жидкости вместе с паровыми пузырями по периметру ци линдра. Это приводит к возникновению разрывов в области наиболее тонкой пленки ка центрах парообразования и появлению, в итоге, устойчивого крупномасштабного сухого пятна, вызывающего катастрофический рост ч-температуры стенки. Образование сухих пятен на центрах парообразова- % ния, приводящее к осушению поверхности, также было отмечено Павленко и Лелем [31] в диапазоне чисел Рейнольдса 60 +- 200. В этой работе авторы исследовали течения пленок насыщенного жидкого азота по вертикальной обогреваемой поверхности длиной 12 мм вдоль течения. Экспериментально наблюдались три диапазона по числу Рейнольдса на входе в область тепловыделения с различным механизмом возникновения сухих пятен, приводящих к осушению обогреваемой поверхности: (1) разрыв пленки за счет испарения остаточного слоя в тонких интенсивно испаряющихся (не кипящих) пленках; (2) возникновение сухих пятен на центрах парообразования; (3) отторжение регулярных кипящих струй от обогреваемой поверх-ности при высоких числах Рейнольдса. В области (3) опытные данные по КТП обобщаются эмпирической формулой:
Критические условия третьего типа [29] характеризуются отторжением большей части жидкости генерируемым паром от обогреваемой поверхности в ее нижней части. При этом поток жидкости разделялся и основная часть жидкости отбрасывалась от обогреваемой поверхности, тогда как сама поверхность была покрыта тонким кипящим слоем жидкости, который визуально изучался с помощью фотосъемки со временем экспозиции 1/1000 и 1/2000 секунды (рис. 1.1.7 (Ь-1), (Ь-2)). Такая конфигурация течения близка к модельной схеме (рис. 1.1.6), разработанной в [22] на основе визуализации кипения на плоском прямоугольном нагревателе в стекающей пленке фторуглерода FC-72 в предкризисных режимах (см. рис. 1.1.8). Данные по КТП третьего типа удовлетворительно описываются эмпирической формулой (1.1.27) Katto and Ishii [27], несмотря на то, что нагреватель имел длину 180 мм, а формула (1.1.27) получена для обогреваемых поверхностейс максималБНойгдлиной-20 вдолв.течення.
Baines et al. [31] исследовали теплообмен и КТП при орошении обогреваемой поверхности свободно стекающей-пленкой жидкости и собствен- но жидкостью, вынужденно подаваемой на обогреваемый участок через прямоугольное сопло. В работе использовался обогреваемый участок шириной 66 мм и длиной 114 мм вдоль течения, вмонтированный в канал с регулируемым углом наклона из пластика G-10 шириной 75 мм. В качестве рабочих жидкостей использовался фреон R-113 и вода при атмосферном давлении, диапазоны исследованных чисел Рейнольдса 9600-38400 и 7800-74600 соответственно. Механизм кризиса, наблюдавшийся Baines et al. [31], схож с механизмами возникновения КТП, описанными в работах [26-28]. Так же, как в этих работах, при достаточно высоких плотностях тепловых потоков пленка жидкости начинает разделяться, оставляя на поверхности нагревателя тонкий подслой.
Методика измерений и проведения опытов
В процессе кипения на теплоотдающей поверхности возникают температурные возмущения различного пространственно-временного масштаба. Возмущения флуктуационного характера свойственны внутренней природе кипения. Внешние возмущения, постоянные или кратковременные, могут иметь различный линейный масштаб (неравномерность тепловыделения, различия микрохарактеристик поверхности, определяющих закипание жидкости, теплофизических свойств стенки вдоль тепловыделяющей поверхности и т. д.). Вследствие воздействий этих возмущений на теплоотдающей поверхности возникают зоны с различными режимами теплоотдачи. В результате на поверхности нагрева развиваются переходные процессы, определяемые эволюцией возникающих очагов ухудшенной теплоотдачи (режима пленочного кипения, сухих пятен в стекающей пленке). Возникновение и развитие сухих пятен, а также их распространение вдоль теплоотдающеишоверхноет№резко ухудшает :теплообмен; приводит - к аварийному перегреву тепловыделяющего элемента, а зачастую и к его разрушению.
Исследования динамики переходных процессов при кипении, в том числе сопровождающихся наступлением кризисных явлений на теплоотдающей поверхности, являются предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований [42-56]. В работе Петухова и Ковалева [42] впервые была экспериментально обнаружена возможность одновременного устойчивого сосуществования на тепловыделяющей поверхности пузырькового и пленочного режимов кипения, а также получены первые опытные данные для равновесного теплового потока qpaB, при котором это сосуществование возможно в воде на горизонтальных стержнях и трубах. Авторами было предложено выражение для величины qpaB, полученное на основе использования двухзонной модели кривой кипения: В качестве условия, определяющего «сход» пленочного режима кипения, авторами принимается достижение на границе двух режимов кипения второго критического температурного напора АТкр 2. В работе [43] при анализе устойчивости режимов кипения автором была использована реальная кривая кипения для воды при атмосферном давлении, полученная в экспериментальных исследованиях при стационарном тепловыделении. Авторами работ [42, 43] была предложена методика расчета величин отклонений температуры теплоотдающей поверхности, приводящих к изменению режима кипения при задании произвольной формы кривой кипения. В этих работах также впервые приведены опытные данные по скорости распространения границы смены режимов кипения, полученные на тонкой платиновой проволоке, погруженной в воду.
В литературе известны различные одно- и двухмерные модели, описывающие скорость распространения фронта смачивания. Впервые расчетные соотношения для скорости перемещения границы режимов кипе-ния были получены в одномерной постановке применительно к зідачам повторного смачивания. В работе Yamanouchi [44] получено аналитическое решение для скорости распространения фронта смачивания в предположении одномерной теплопроводности в стенке. В смоченной зоне коэффициент теплоотдачи а считался постоянным, а в области осушения равным нулю. В этом случае было предложено аналитическое решение для скорости смачивания: Thompson [45] представил результаты численного решения одно- и двухмерного уравнения для случая, когда коэффициент теплоотдачи в смоченной зоне пропорционален кубу перегрева стенки. Sun et al. [46] построили аналитическую модель на основе предположения двухзонной кривой кипения. Sun, Dua et al. [47, 48] включили в модель коэффициент теплоотдачи в несмоченной зоне. В работе Elias and Yadigaroglu [49] была предложена численная одномерная модель, в которой смоченная и сухая области разделялись на несколько участков с постоянными коэффициентами теплоотдачи. В исследовании Жукова и др. [50], с использованием двухзонной модели кривой кипения, получено аналитическое выражение для скорости распространения границы смены режимов кипения:
В работах Павленко [52], Ковалева, Усатикова [53, 54], Жукова и др. [55, 56], Gentile [57] проведены расчеты по тепловой устойчивости одномерного локального очага пленочного кипения. При проведении расчетов процесса динамического перехода от одного режима кипения к другому, как правило, используется кривая кипения, полученная в опытах при квазистационарном тепловыделении и осредненная по времени и вдоль по те-плоотдающей поверхности. Возможность использования стационарной кривой кипения с характерными точками qKp і и qKp2 на ней для описания динамики смены режимов кипения на тепловыделяющих поверхностях с различными геометрическими параметрами и различными теплофизиче-скими свойствами требует экспериментальной проверки. В работах Павленко и др. [52, 58, 59] приведены экспериментальные данные по скорости распространения границы смены режимов кипения в асимптотическом режиме и равновесной плотности теплового потока, полученные в криогенных жидкостях (азот, гелий) в широких диапазонах изменения приведенного давления, недогрева жидкости, толщины тепловыделяющего элемента; приведено их сопоставление с полученными расчетными данными.
Кризис теплообмена при кипении в стекающих пленках
Dua and Tien [65] на основе измерения пульсаций температуры тепловыделяющей поверхности при кипении пленки жидкого азота на медной трубе с толщиной стенки 1.845 мм получили распределение плотности теплового потока в окрестности фронта смачивания. Исследования были проведены при значениях пленочного числа Рейнольдса 3190, 4010, 5340 и 9400. В работе было показано, что максимальный тепловой поток реализуется во фронте смачивания, а его величина близка к значению в большом объеме жидкости. Измеренная температура смачивания поверхности не соответствует ни одной из двух температур, при которых достигаются минимальный и максимальный тепловые потоки при кипении, и близка по своему значению к температуре Лейденфроста жидкого азота на медной поверхности. Величина максимального теплового потока близка к среднему значению между максимальным и минимальным тепловым потоком при пузырьковом и пленочном кипении в большом объеме, что, по всей видимости, связано с высокой теплопроводностью и значительной толщиной теплопередающей стенки.
В работах Луцета и др. [66, 67] исследовалось распространение фронта пленочного режима кипения по тонкостенной сапфировой тепловыделяющей поверхности, погруженной в большой объем жидкого азота. На основе измерений температуры поверхности с помощью последовательности тонкопленочных платиновых термосенсоров была получена динамическая кривая кипения (рис. 1.2.2). Из рисунка видно, что максимальная плотность теплового потока составляет примерно 45-10 Вт/м2, что в два с половиной раза превышает значение первой критической плотности теплового потока, измеренной в условиях пузырькового кипения в большом объеме. Ueda et al. [68] исследовали повторное смачивание горячей вертикальной трубы из нержавеющей стали пленкой насыщенного фреона R-113 при атмосферном давлении. В результате измерения температуры теплоотдающей поверхности и численного решения обратной задачи теплопроводности в стенке получены кривые кипения, изображенные на рис. 1.2.3 а, Ь. Пунктирная линия на рис 1.2.3 b изображает кривую кипения, полученную Yilmaz and Westwater [69] при кипении фреона R-113 в условиях большого объема при атмосферном давлении на горизонтальной трубе диаметром 6.5 мм. В [68] было показано, что интенсивный теплоперенос к пленке жидкости за фронтом смачивания осуществляется переходным и пузырьковым кипением, а максимальный тепловой поток примерно в два раза превышает первую критическую плотность теплового потока, рассчитанную для кипения в большом объеме. Аксиальное распределение коэффициента теплоотдачи в окрестности фронта, полученное в этой работе, показано на рис. 1.2.4. Из рисунка видно, что в узкой области перед фронтом смачивания коэффициент теплоотдачи имеет выраженный максимум. Значительное количество работ (Ганчев, Боков [70], Thompson [45, 71], Duffey and Porthouse [72] и др.) также посвящено повторному смачиванию горячей поверхности.
В процессе кипения на теплоотдающей поверхности возникают температурные возмущения, связанные с периодическим ростом и отрывом паровых пузырей, их возможным слиянием, динамикой испарения микрослоя под паройыми конгломератами и т. д. Из обзора литературы следует, что, несмотря на обилие работ, посвященных повторному смачиванию горячей поверхности стекающими пленками жидкости, слабо изученным остается влияние механизма теплопроводности на обратный процесс осушения поверхности при кипении в стекающих пленках при постоянной тепловой нагрузке. В предкризисных ситуациях на поверхности нагревателя наблюдаются регулярные сухие пятна, перемежающиеся кипящими струями [30]. Сухие пятна при некоторых условиях могут объединяться в результате теплового взаимодействия и, при плотностях теплового потока выше qpaB, инициировать автоволновой переход, сопровождающийся вытеснением пузырькового режима кипения возникшим в результате объединения сухих пятен критическим температурным возмущением. При реализации подобных переходов КТП заметно снижается, что является крайне нежелательным явлением в инженерной практике. Поэтому условия возникновения и динамика таких автоволновых переходов в стекающих кипящих пленках требуют подробного экспериментального исследования.
Теплообмен при пузырьковом кипении .жидкостей, являясь, одним из__-.,.., наиболее эффективных способов отвода теплоты, позволяющим снимать большие тепловые нагрузки при сравнительно небольших температурных напорах и расходах теплоносителя, традиционно служит объектом всестороннего изучения. Режим пузырькового кипения, несмотря на то, что он может существовать в сравнительно узкой области температурных напоров, является наиболее часто встречающимся в промышленных аппаратах с высокой теплонапряженностью.
Режимы кипения принято характеризовать зависимостью плотности теплового потока, снимаемого жидкостью с поверхности нагрева от температурного напора AT. Кривая q =/(АТ) носит название кривой кипения. Впервые кривая кипения получена Нукиямой еще в 1934 г. при изучении кипения воды в большом объеме на платиновой проволоке. Вид кривой кипения, представленной на рис 1.3.1 [73] в логарифмических координатах, характерен для всех известных жидкостей. Анализ кривой кипения в широком интервале изменения температуры теплоотдающей поверхности позволяет выделить три основные области. Область пузырькового pes жима кипения (участок АВ), характеризуется увеличением числа действующих центров парообразования с увеличением тем-пературного напора AT. При этом с ростом AT интенсивность теплоотдачи повышается, растет плотность теплового потока, снимаемая кипящей жидкостью с обогреваемой поверхности.
Gaertner [11, 12], основываясь на детальном кинематографическом исследовании, выделяет в пузырьковой области четыре характерные зоны: (1) зона изолированных пузырей, когда расстояние между действующими центрами значительно больше диаметра пузырей, растущих на поверхности теплоотдачи; (2) зона, характеризуемая тем, что в активных центрах парообразования формируются не отдельные пузыри, а непрерывные цепочки пузырьков; (3) зона, в которой образуются паровые конгломераты;
Постановка задачи и описание расчетной методики
Кутателадзе [87], основываясь на введенной им же аналогии между процессами кипения и барботажа жидкости газом через пористые поверхности, выделил гидродинамическую основу механизма теплообмена при кипении. В результате анализа размерностей определяющих величин были определены следующие безразмерные критерии подобия:
Автором было проведено обобщение большого массива экспериментальных данных по кипению воды, водоглицериновых растворов, жидких металлов, спирта, жидких газов, барботаже воды с помощью безразмерных комплексов в виде Nu (M 2/Pe )2/3-103 = /(w"n /a-104). В пределах ± 25% большой массив экспериментальных данных1 описывался зависимостью. В общем случае множитель пропорциональности в этой формуле зависит от геометрических характеристик поверхности нагрева, числа Прандтля и критериев, характеризующих акт зарождения паровых пузырей. Однако, основной эффект учитывается удивительно простой и, очевидно, весьма глубокой формулой (1.3.6) .
Как было отмечено выше, интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении в достаточно толстых пленках жидкости близка к условиям большого объема. При уменьшении толщины кипящего слоя, по сравнению с большим объемом, теплоотдача возрастает. Большая интенсивность теплоотдачи при кипении в тонких пленках может быть объяснена меньшим термическим сопротивлением пленки по сравнению с термическим сопротивлением теплового
Дословная цитата из книги С.С. Кутателадзе «Основы теории теплообмена». пограничного слоя, определяющего коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в большом объеме. Детальному исследованию теплоотдачи при кипении в тонких слоях криогенных жидкостей посвящены работы Григорьева и Дудкевича [88-90]. Авторами было экспериментально исследовано кипение кислорода, азота, водорода и гелия в тонкой пленке. Жидкость подавалась через трубку диаметром 0.3-0.5 мм на теп-лоотдающую поверхность. В зависимости от величины тепловой нагрузки расход жидкости регулировался изменением перепада давления на концах подающей трубки таким образом, чтобы высота кипящего слоя оставалась постоянной. Теплоотдающей поверхностью служил торец стержня диаметром 5 и 10 мм. Авторами было отмечено, что: (1) интенсивность теплоотдачи при кипении в тонкой пленке превышает интенсивность теплоотдачи при кипении в большом объеме практически во всем исследованном диапазоне плотностей теплового потока; (2) максимальные плотности тепловых потоков, снимаемые с поверхности нагрева при кипении в тонкой пленке, в несколько раз превышают критические плотности тепловых потоков при кипении в условиях большого объема. Григорьев и Дудкевич [91] получили соотношение для расчета теплоотдачи при кипении азота, кислорода, аргона и других криогенных жидкостей в пленке: где 0D — краевой угол смачивания, a — угол между образующей конической поверхности микрослоя под пузырем и поверхностью нагрева. Соотношение (1.3.7) с погрешностью, не превышающей 17%, описывает экспериментальные данные по кипению азота и кислорода в пленке, представленные в [91]. Экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении в стекающих пленках криогенной жидкости немногочисленны и, фактически, ограничены работами [30, 92]. В работе [30] исследовалась интенсивность теплоотдачи при кипении жидкого азота, стекающего пленкой по пластине, с установленными заподлицо прямоугольным и круглым медными нагревателями. Было показано, что интенсивность теплоотдачи в режиме развитого пузырькового кипения в толстых пленках практически не зависит от числа Рейнольдса пленки. Слабая зависимость интенсивности теплоотдачи от числа Рейнольдса наблюдалась и в работе [22], где исследовались средняя теплоотдача и КТП при кипении в стекающих пленках FC-72. Динамическая кривая пузырькового кипения, полученная при движении фронта смачивания горячей поверхности стекающей пленкой жидкого азота, представлена в работе [66].
Как показывает анализ литературы, в настоящее время представлен широкий спектр различных физических моделей пузырькового кипения. Имеется значительное число расчетных зависимостей, удовлетворительно описывающих экспериментальные данные при кипении в различных условиях. Тем не менее, законченной и общепринятой теории пузырькового кипения пока не существует. В литературе имеется достаточное количество экспериментальных данных по кипению различных жидкостей в большом объеме, тогда как опытные данные по кипению в стекающих пленках жидкости в значительной мере ограничены. Для расширения представлений о механизмах теплоотдачи при кипении в стекающих пленках жидкости, их влияния на критический тепловой поток, выявления взаимосвязей между гидродинамикой и теплообменом требуются систематические исследования теплообмена в различных областях течения на нагревателях различной протяженности в широком диапазоне изменения режимных параметров течения.
