Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Теплообмен при кипении гелия-1 в поле силы тяжести Земли в условиях свободного движения 15
1.1.1. Закипание гелия на греющей поверхности.. 15
1.2.1. Интенсивность теплоотдачи в режиме пузырькового кипения гелия в большом
объеме 16
1.1.3. Кризисы теплоотдачи при кипении гелия в поле силы тяжести Земли 21
1.2. Кипение жидкостей в поле центробежных сил... 28
1.2.1. Интенсивность теплоотдачи при пузурьковом кипении жидкостей в поле центробежных сил 29
1.2.2. Кризисы теплоотдачи при кипении жидкостей в поле центробежных сил 35
1.3. Выводы и постановка задач исследования 44
ГЛАВА 2. ТЕХНИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 47
2.1. Установка "НЗГ" для исследования теплообмена при кипении насыщенного и недогретого гелия в условиях ТІ =1 48
2.2. Установка "Центрифуга-І" для исследования теплообмена при кипении гелия в поле центробежных сил в условиях большого объема 56
2.3. Установка "Центрифуга-2" для исследования теплообмена при кипении гелия в интенсивном поле центробежных сил 59
2.4. Методика проведения эксперимента на установке "НЗГ" 63
2.4.1. Эксперименты с насыщенным гелием 63
2.4.2. Изучение кипения гелия, недогретого до температуры насыщения 65
2.5. Методика проведения эксперимента в поле центробежных сил 70
2.5.1. Исследования на установке "Центрифуга-1" 70
2.5.2. Исследования в интенсивном поле центробежных сил на установке "Центрифуга-2" 76
2.6. Заключение к главе 2 80
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ ГЕЛИЯ-І В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ 83
3.1. Влияние давления и ориентации нагревателя на теплоотдачу при кипении гелия-1 в поле силы тяжести Земли 83
3.2. Влияние недогрева жидкости до температуры насыщения на теплоотдачу при кипении гелия в условиях Г =1 90
3.2.1. Режим однофазной конвекции и граница раздела по тепловой нагрузке с режимом пузырькового кипения 91
3.2.2. Режим пузырькового кипения 96
3.3. Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении гелия в поле центробежных сил 99
3.4. Модель теплообмена при пузырьковом кипении
гелия в поле центробежных сил 109.
3.4.1. Общая схема теплообмена при кипении... 109
3.4.2. Формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении 112
3.4.3. Кривые пузырькового кипения в поле центробежных сил 118
3.5. Заключение к главе 3 124
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИЗИСОВ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ
ГЕЛИЯ-І В ПОПЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ 127
4.1. Влияние давления на характеристики кризисов теплоотдачи при кипении насыщенного гелия
в условиях Л =1 127
4.2. Влияние недогрева на характеристики кризисов теплоотдачи при кипении гелия в условиях поля силы тяжести Земли ( ТІ =1) 137
4.3. Кризисы теплоотдачи при кипении гелия-І в поле центробежных сил 142
4.4. Анализ особенностей кризиса теплоотдачи при пузырьковом кипении гелия в поле центробежных сил 162
4.5. Заключение к главе 4 170
ВЫВОДЫ 173
ЛИТЕРАТУРА . 177
ПРИЯОЖЕНИЕ I. Жидкость в поле центробежных сил 198
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Оценка погрешности измерений 206
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Экспериментальные данные о теплоотдаче при кипении гелия-1. Зависимость внутренних характеристик теплообмена от перегрузки 228
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Экспериментальные данные о кризисах кипения гелия-1 246
- Теплообмен при кипении гелия-1 в поле силы тяжести Земли в условиях свободного движения
- Установка "НЗГ" для исследования теплообмена при кипении насыщенного и недогретого гелия в условиях ТІ =1
- Влияние давления и ориентации нагревателя на теплоотдачу при кипении гелия-1 в поле силы тяжести Земли
- Влияние давления на характеристики кризисов теплоотдачи при кипении насыщенного гелия
Теплообмен при кипении гелия-1 в поле силы тяжести Земли в условиях свободного движения
Определение величин о0 и д \о , соответствующих закипанию жидкого гелия, необходимо для определения нижней по тепловой нагрузке границы режима пузырькового кипения. Точка закипания разделяет режимы однофазной конвекции и пузырькового кипения, и, следовательно, при определении интенсивности теплоотдачи ее можно рассматривать как границу, разделяющую области применимости соответствующих видов формул.
Определение условий закипания можно проводить по пересечению отрезков прямых, аппроксимирующих участки кривой кипения G, = Q, (дТ) в режиме однофазной конвекции и пузырькового кипения соответственно.
Имеющиеся экспериментальные данные о дХ и о [24-283 получены с большим разбросом и отличаются низкой воспроизводимостью. Тем не менее, весь массив данных о Л 19J заключен между кривой предельного перегрева д лр = д пКр) и кривой 0,{ д 1пр ; сама зависимость Д 10 = Л с р) удовлетворительно описывается соотношением где А =3 10 м, изменение же значений Q,0 с ростом давления в узком диапазоне изменения последнего (при р Ю5Па) лишь приближенно оценено зависимостью CI Влияние недогрева "$ -Т7 - / на положение границы раздела режимов однофазной конвекции и пузырькового кипения гелия вообще не исследовалось.
Имеющиеся данные о влиянии ориентации теплоотдающей поверхности на характеристики закипания гелия носят противоречивый характер [23, 29]. Анализ зависимости Q0 и Д 10 от теплофизиче-ских свойств нагревателя показал [19] , что с увеличением коэффициента аккумуляции тепла жн--\/(АСр)н обе характеристики уменьшаются, а с улучшением чистоты обработки теплоотдающей поверхности - увеличиваются.
Установка "НЗГ" для исследования теплообмена при кипении насыщенного и недогретого гелия в условиях ТІ =1
Процесс теплоотдачи при кипении насыщенного и недогретого гелия в условиях поля силы тяжести Земли изучался на установке (рис.2.1), созданной по схеме, сходной с предложенной в [43] . Данная схема позволяет в широком диапазоне менять недогрев при заданном давлении в рабочем объеме.
Внутренняя часть криостата I, заполняемая жидким гелием,состоит из двух герметичных относительно друг друга объемов:внутреннего рабочего объема 2, в котором установлен блок нагревателя 3, и наружного объема. Объемы снабжены отдельными переливными сифонами А и Б. Внутренний объем 2 может наддуваться газообразным гелием из баллона 4 через редуктор 5 до заданного давления р#н . Подаваемый газ очищается от паров масла и охлаждается жидким азотом в фильтре 6. В процессе эксперимента давление р н поддерживается путем сброса паров в газгольдер через линию выпара 7, снабженную вентилями грубой и тонкой регулировки. Наружный рабочий объем соединяется с газгольдером через линию сброса 8 и моностат 9. Понижение температуры жидкости в наружном рабочем объеме производится откачкой форвакуумним насосом ВН-2МГ, управление которым осуществляется блоком вентилей 10.
Подробнее конструкция криостата установки "НЗГ" приведена на рис.2.2. Внутренний рабочий объем имеет емкость 3,5 л.Нижняя его часть 4 для улучшения теплообмена выполнена из медной трубы диаметром 68 мм и толщиной стенки I мм. Остальная часть объема 5 изготовлена из нержавеющей стали ХІ8НІ0Т.
Влияние давления и ориентации нагревателя на теплоотдачу при кипении гелия-1 в поле силы тяжести Земли
Пузырьковое кипение насыщенного гелия при Tj = I изучалось на плоских стальных и медных нагревателях с различными геометрическими размерами, а также на трубчатом нагревателе из нержавеющей стали.
Так как в поле центробежных сил у теплоотдающей поверхности реализуются повышенные давления (при атмосферном давлении на оси вращения),то при г) = I эксперименты были проведены в диапазоне 1-105Па р рс .
Данные о теплообмене при пузырьковом кипении в виде зависимостей О. - CL(&TS) , полученные на всех нагревателях, приведены в табличном виде в прилож. З (п.1).
На рис.3.1 кривые кипения гелия при р І КгПа изображены в координатах 0(s( ). Так как эти кривые получены при увеличении тепловой нагрузки, то их аппроксимация зависимостью (1.5) дает значение показателя степени п =0,6 0,7, что хорошо согласуется с результатами других авторов,приведенными на этом же рисунке .Существенно отличается от этих результатов зависимость &.s=o(s(а) для плоского стального нагревателя (данные настоящей работы - точки 5,данные работы [52] - точки 9).В этом случае низкие значения коэффициентов теплоотдачи и их слабый рост с увеличением Р, связанно-видимому теплофизическими свойствами нержавеющей стали (малым значением коэффициента тешюусвоения дн У(ЛСрО)н 40 Вт-с /м К).
На рис.3.2 приведены "опорные" кривые кипения гелия при различных давлениях на медных нагревателях (рис.3.2а) и трубчатом стальном нагревателе (рис.3.26). Из рисунка видно характерное расслоение кривых по давлению - с увеличением давления коэффициент теплоотдачи растет.При этом влияние р зависит от уровня тепловой нагрузки а, .«чем ближе отношение 4/fy fi к единице,тем меньше разница в значениях ОС ,полученных при различных давлениях.
class4 ИССЛЕДОВАНИЕ КРИЗИСОВ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ
ГЕЛИЯ-І В ПОПЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ class4
Влияние давления на характеристики кризисов теплоотдачи при кипении насыщенного гелия
Изучение кризисов кипения в настоящей работе проводилось как на плоских медных нагревателях (которые впоследствии использовались для изучения кипения недогретого гелия, а также в поле центробежных сил), так и на нагревателях, выполненных из других материалов, различной геометрии и ориентации. Необходимо отметить значительное различие абсолютных значений как первых,так и вторых критических плотностей тепловых потоков при о = const .которое обусловлено отличием в условиях экспериментов.
Однако, как отмечалось в главе I, зависимости о Кр и ОKpz от давления носят сходный характер для любых теплоотдающих поверхностей. При представлении данных в относительном виде разброс точек сравнительно мал. На рис. 4.1 и 4.2 представлены данные настоящей работы и других авторов, полученные на различных теплоотдающих поверхностях. Характеристики нагревателей и опорные значения ty, (измеренные при р = I05 Па) приведены в табл. 4.1 и 4.2.
Обе зависимости -(с крОр и (с Рг)р имеют вид кривой с максимумом в области (5 7)10Па.
Необходимо отметить, что результаты работ [23,40,51,52,81, 140 3 также удовлетворительно совпадают с представленными на рис. 4.1.
Аппроксимация данных по зависимости первой критической плотности теплового потока от давления была проведена как по формуле (1.8) Кутателадзе [54] :QKp, = KLvjfb l/ 9( -Qn) » так и по эмпирическому соотношению (І.ІІ) авторов [72] :
На рис.4.I видно, что значения (Ц рі)р ,рассчитанные по (1.8), существенно превышают экспериментальные (в 2-4 раза) в области повышенных давлений; при р 10 Па, напротив, рассчитанная кривая лежит ниже большинства экспериментальных точек. Полином (І.ІІ) лучше описывает экспериментальные данные.
Вычисление среднеквадратических отклонений подтверждает этот вывод: для (1.8) 6 . =31$,причем при давлениях р/р 0,5 (75 точек) ( =38$, при р/рс 0,5 (57 точек) 6 = 24$. Для формулы (І.ІІ) соответствующие отклонения составляют 14$,16$ и 12$.
Похожие диссертации на Теплообмен при кипении гелия-1 в поле центробежных сил
