Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ.
1.1. Экспериментальн ая установка и методика исследования кризиса кипения в жидкости при нестационарном тепловыделении в условиях естественной конвекции.
1.2. Методика проведения экспериментов по исследованию динамики переходных процессов при кипении и устойчивости границы смены режимов кипения.
1.3 Мегодика проведения экспериментов по исследованию характеристик течения пленки криогенной жидкости по вертикальной поверхности в адиабатических и неадиабатических условиях.
1.4 Экспериментальная установка и методика исследований теплообмена и кризисных явлений при кипении и испарении в стекающих пленках насыщенной жидкости.
ГЛАВА 2. КРИЗИС ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИИ.
2.1. Краткий обзор литературы, характеризующий состояние вопроса.
2.2. Минимальный критический тепловой поток при ступенчатом и периодическом импульсном тепловыделениях. Влияние режимных параметров, размеров нагревателя, наведенной конвекции в жидкости.
2.3. Время ожидания вскипания жидкости при
нестационарном тепловыделении. 155
2.4. Влияние темпа и закона нарастания тепловыделения на критический тепловой поток. 165
2.5. Анализ условия наступления кризиса теплоотдачи и модельное описание кризиса при нестационарном тепловыделении. Обобщение экспериментальных данных по величине нестационарного критического теплового потока. 170
Выводы к главе 2. 190
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КИПЕНИИ. ТЕПЛОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ЛОКАЛЬНЫХ ОЧАГОВ ПЛЕНОЧНОГО КИПЕНИЯ. 193
3.1. Состояние вопроса. 193
3.2. Исследование динамики смены режимов кипения на теплоотдающей поверхности. Равновесие границы пузырькового и пленочного режимов кипения.
3.3. Численное моделирование развития локальных очагов пленочного кипения. 297
3.3.1. Влияние граничных условий на фронте смены режимов кипения на поведение локальных очагов пленочного кипения. 227
3.3.2. Эволюция развития и устойчивость одномерных и круглых (на плоской поверхности) очагов пленочного кипения. 251
3.3.3. Влияние нестационарного характера теплообмена в различных зонах фронта смены режимов кипения на динамику развития и устойчивость очагов пленочного кипения. 261
3.4. Исследование самоподдерживающихся режимов распространения фронтов испарения в перегретой жидкости при нестационарном тепловыделении. 290
Выводы к главе 3. 296
ГЛАВА 4. ТЕПЛООБМЕН И КРИЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ НАСЫЩЕННОЙ ЖИДКОСТИ. 298
4.1. История вопроса. 298
4.1.1. Волновые характеристики стекающих пленок . 298
4.1.2. Устойчивость и теплоотдача в стекающих пленках жидкости. 301
4.2. Исследование течения пленки криогенной жидкости по вертикальной поверхности в адиабатических условиях. Анализ полученных результатов по визуализации течения и измерению локальной толщины волновой пленки жидкости. 317
4.3. Исследование динамики течения по вертикальной поверхности интенсивно испаряющейся волновой пленки жидкости. 332
4.4. Исследование возникновения «сухих» пятен и развития кризиса теплоотдачи. Критический тепловой поток и регулярные структуры при течении пленки насыщенной жидкости по вертикальной обогреваемой поверхности.
4.5. Модельное описание кризиса теплоотдачи при испарении в области малых чисел Рейнольдса Обобщение опытных данных по критическому тепловому потоку при испарении и кипении в стекающих пленках насыщенной жидкости.
4.6. Теплоотдача в докризисных режимах при кипении и испарении в стекающей пленке насыщенной жидкости. Влияние «сухих» пятен на теплообмен. 398
Выводы к главе 4. 413
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ. 415
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 418
ЛИТЕРАТУРА.
- Экспериментальн ая установка и методика исследования кризиса кипения в жидкости при нестационарном тепловыделении в условиях естественной конвекции.
- Краткий обзор литературы, характеризующий состояние вопроса.
- Исследование динамики смены режимов кипения на теплоотдающей поверхности. Равновесие границы пузырькового и пленочного режимов кипения.
- Волновые характеристики стекающих пленок
Экспериментальн ая установка и методика исследования кризиса кипения в жидкости при нестационарном тепловыделении в условиях естественной конвекции
С учетом поставленных задач экспериментального исследования была спроектирована и изготовлена установка для изучения кризиса теплоотдачи при нестационарном тепловыделении в условиях свободной конвекции криогенной жидкости (рис. 1.1.1). Установка позволяет исследовать кризис теплоотдачи на нагревателях различной геометрии в диапазоне давлений: на азоте - от 0.0125 до 1.2 МПа, на гелии - от 5 10" до 0.12 МПа. Изменение недогрева жидкости происходило в пределах: на азоте - (0-15)К, на гелии - (0-2)К. Для изучения динамики развития кризиса теплоотдачи при нестационарном тепловыделении использовался кинематографический метод исследования. При определении времени ожидания вскипания жидкости в условиях нестационарного тепловыделения применялся пьезоакустический метод.
В настоящей работе была предусмотрена возможность реализации различных законов тепловыделения на нагревателях:
- ступенчатое тепловыделение (с наличием предварительного стационарного тепловыделения и при его отсутствии);
- периодический импульсный закон тепловыделения;
- произвольно заданный закон тепловыделения (квадратичный, линейный, корневой).
В частности, мог быть реализован квазистационарный режим с медленным изменением мощности обогрева.
Краткий обзор литературы, характеризующий состояние вопроса
Теплообмен в жидкости при кипении в случае резко изменяющейся тепловой нагрузки начал изучаться в середине пятидесятых годов. В одной из первых работ [13] представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи к воде при нестационарном тепловыделении. Примерно через 10 лет появляются работы, в которых впервые затрагиваются вопросы нестационарного теплообмена в криогенных жидкостях [14]. С тех пор интерес к этой проблеме неуклонно возрастает, о чем можно судить по росту количества публикаций и расширению круга исследователей, имеющих отношение к данной теме.
Наибольшее количество экспериментальных работ по теплообмену и критическому тепловому потоку при нестационарном тепловыделении в жидкости проведено на воде и гелии. Это связано с тем, что важнейшей областью приложения результатов исследования нестационарного теплообмена в воде является атомная энергетика, поскольку тепловыделения в атомном реакторе, где используется вода в качестве теплоносителя, часто носят резко выраженный переменный характер. Аналогично, результаты изучения нестационарной теплоотдачи к гелию находят основное приложение при расчете сверхпроводящих устройств. В настоящее время изучение нестационарного критического теплового потока, нестационарной теплоотдачи при кипении начинает активно проводиться в азоте, фреонах, фторорганических диэлектрических жидкостях. Это связано с прогнозируемой возможностью использования этих жидкостей в качестве хладагента в новых системах охлаждения и термостабилизации радиоэлектронного оборудования, в устройствах с применением высокотемпературных сверхпроводящих керамических элементов [15-19]. Известно, что процесс теплообмена в энергетическом оборудовании, в различных системах термостабилизации часто характеризуется существенной нестабильностью параметров даже в расчетном режиме, не говоря уже об экстремальных ситуациях. Одним из основных факторов, определяющих пределы надежности работы этих систем в аварийных и переходных режимах, являются условия возникновения и динамики распространения кризиса теплоотдачи по теплоотдающей поверхности при нестационарном тепловыделении, т.к. критические параметры, определяющие переход к кризису, в ряде случаев могут быть в несколько раз ниже, чем при квазистационарном тепловыделении. Это определяет круг теплофизических проблем, которые необходимо решать при расчете любого сверхпроводящего или энергетического оборудования, работающего в нестационарном по тепловыделению режиме. Во-первых, при каком минимальном локальном тепловом потоке будет достигнут перегрев тепловыделяющего элемента, приводящий к переходу его в критическое состояние (пленочное кипение, переход в нормальное состояние сверхпроводника)? Во-вторых, через какое время произойдет этот переход, и какое количество энергии может быть отведено в жидкость до перехода? Эти вопросы непосредственно ведут к необходимости изучения минимального нестационарного критического теплового потока в жидкости и времени наступления кризиса.
Не менее важно изучение переходных процессов на тепловыделяющей поверхности, определяющих устойчивость и скорость распространения технологически опасного очага пленочного режима кипения по поверхности.
Все это указывает на высокую актуальность изучения процессов теплообмена при нестационарном тепловыделении, сопровождающихся фазовыми превращениями.
Исследование динамики смены режимов кипения на теплоотдающей поверхности. Равновесие границы пузырькового и пленочного режимов кипения
На рис. 3.2.1 приведены экспериментальные данные по скорости распространения границы пленочного и пузырькового режимов кипения в зависимости от плотности теплового потока на цилиндрических нагревателях - проволоках различного диаметра при атмосферном давлении в насыщенном азоте. Опытные данные соответствуют установившимся режимам при постоянной тепловой нагрузке, когда величина скорости распространения границы смены режимов кипения не зависит от времени. Вертикальные сплошные черточки на рисунке соответствуют опытным значениям первой критической плотности теплового потока q i для каждого диаметра соответственно. Из рисунка видно, что в одной области плотностей тепловых потоков пузырьковый режим замешается пленочным с постоянной скоростью (U 0), в другой -пузырьковый режим вытесняет пленочный режим кипения (U 0). С ростом диаметра нагревателя DH скорость замещения одного режима кипения другим уменьшается. Плотность же теплового потока qpaB, при которой два режима кипения находятся в равновесии (U=0, область безразличного равновесия), с увеличением диаметра нагревателя уменьшается. Важно отметить, что характер зависимости скорости распространения пленочного режима кипения от плотности теплового потока, близкий к линейному, сохраняется вплоть до стационарного критического теплового потока.
На рис. 3.2.2 приведены фрагменты кинофотосъемки процесса распространения пленочного кипения по нагревателю в азоте. Отчетливо видно два режима кипения - пленочный (слева) и пузырьковый (справа). Граница двух режимов кипения распространяется с постоянной скоростью вправо. На рис. 3.2.3 показано одновременное сосуществование пленочного и пузырькового режимов кипения при плотности теплового потока равной величине qpaB. В этом случае граница двух режимов кипения с течением времени остается неподвижной.
Необходимо отметить следующее. С уменьшением диаметра возникает целая область плотностей тепловых потоков, в которой два режима сосуществуют на нагревателе одновременно, не вытесняя друг друга (U=0), Из таблицы 3.2.1 видно, что с уменьшением диаметра нагревателя область безразличного равновесия AqpaB. существенно расширяется. Выражение (3.1.2), полученное при использовании квазистационарной кривой кипения, дает единственное значение плотности теплового потока, при которой U=0.
При диаметрах нагревателя D„ 3.510 5 м (DH/A 0.03) в азоте характер смены режимов кипения меняется. Как показывает кинофотосъемка, в этом случае q qKp.2 имеет место хаотическое возникновение очагов пленочного кипения на нагревателе в зоне возникающих пузырей и их исчезновение. С увеличением плотности теплового потока (q qKp.2) очаги сливаются, заполняя весь нагреватель. При достижении фиксированной плотности теплового потока устанавливается стабильное пленочное кипение на всем нагревателе. Это связано с вырождением зоны ЧкР.2 Я Чкр.і между первой и второй критическими плотностями теплового потока на очень тонких нагревателях, так как величина qKp і в этой области изменения DH существенно уменьшается (см. [114]), а величина qKp2 возрастает (см. [126]).
Волновые характеристики стекающих пленок
Для интенсификации процессов тепломассопереноса широко используется пленочное течение жидкости по поверхности элементов промышленных аппаратов. В настоящее время проведено много работ по теоретическому и экспериментальному исследованию гидродинамики волнового течения пленки жидкости, подробный анализ которых проведен в монографиях [240-242]. Основная часть исследований выполнена на экспериментальных участках сравнительно большой длины с использованием в качестве рабочего тела воды, водоглицериновой смеси и масел. Учитывая то обстоятельство, что высота пакетов пластинчатых аппаратов в криогенной технике невелика, а значения вязкости, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания криогенных жидкостей малы, применение имеющихся в литературе приближенных зависимостей для расчета характеристик волновой пленки криогенной жидкости необходимо дополнять экспериментальными данными. Последние, однако, практически отсутствуют, поскольку их получение связано с большой сложностью проведения исследований в области криогенных температур.
Первое теоретическое исследование волнового движения на поверхности стекающих пленок в ламинарно-волновом режиме движения было выполнено М. Л. Капицей в работах [243, 344]. В работе [243] рассматривается движение капиллярных двумерных синусоидальных волн при условии, что их длина значительно больше средней толщины пленки Установлено, что относительная амплитуда волн является постоянной величиной и не зависит от расхода В экспериментальной работе [244] авторы указали, что в действительности волны не являются симметричными, а имеют более крутой передний склон, одновременно существуют волны различной амплитуды и длины, кроме того, относительная амплитуда периодических волн зависит от расхода жидкости и стремится к теоретическому значению 0.46 по мере увеличения расхода. В работе [245] теоретически показана возможность существования на поверхности пленки катящихся не капиллярных волн пилообразной формы (с крутым передним склоном). В дальнейших работах авторов [246] получено двухволновое модельное уравнение для нестационарных нелинейных волн в области ламинарно-волнового течения жидкости. Полученное уравнение имеет характерную двухволновую структуру и отражает тот экспериментальный факт, что волновой процесс на пленке жидкости включает кинематическую волну, как волну низшего порядка, и динамические волны, описываемые производными высших порядков.
Экспериментально волновые характеристики на поверхности стекающих пленок наиболее полно исследованы Брауэром [247], Воронцовым Е. Г. [248] и Даклером с соавторами [249-252], а также в работах [253, 254]. Исследования [247, 248] показали, что волны на поверхности как в ламинарно-волновом, так и в турбулентно-волновом режимах течения не остаются неизменными вдоль пути пробега пленки. В работах [251, 252] приводятся результаты статистического исследования волн на поверхности жидкости. Авторы подразделяют волны на поверхности на мелкие, высота которых меньше средней толщины (капиллярные волны), и крупные волны, высота которых превышает среднюю толщину пленки. Мелкие волны находятся во впадинах между крупными волнами и на пологих обратных склонах крупных волн. Все волны, и особенно крупные, не симметричны, а имеют крутой передний склон и пологий обратный склон. Плотность распределения толщины пленки (рис. 4.1.1) выявляет ярко выраженный максимум, положение которого смещается в сторону больших толщин с увеличением расхода (числа Re).
