Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 3

Это связано с тем, что при выводе аналитическогоуравнения, было введено допущение о равенстве толщин термического идинамического погранслоя. Поэтому, для лучшей аппроксимации численногорешения, авторы модифицируют уравнение следующим образом:19При этом изменяется только параметр, ответственный за недогрев:Учет излучения авторы вводят через параметр J:,Итоговое аналитическое уравнение, учитывающие вклад излучения инедогрева, хорошо аппроксимирует строгое численное решение для разныхжидкостей, что видно из рис.1.7.Рис.1.7.

Сравнение строгого численного решения с аналитическойзависимостью для воды, этанола, фреона 113 и аргона[47].Однако стоит отметить и недостатки данной модели. Во-первых,совсем не учитывается влияние свободной конвекции. Понятно, что внедогретой жидкости имеется температурный градиент, который неизбежновызывает свободную конвекцию. И чем недогрев больше, тем выше этаскорость. В предложенной модели просто считается, что жидкостьувлекается паром, за счет вязкостных сил на межфазной границе, а недогрев20фигурирует в комплексе, который учитывает отношениеколичество тепла, необходимое для прогрева жидкости до температурынасыщения к теплоте фазового перехода.

Ясно, что это число должно бытьменьше единицы и не влиять существенно на КТО. Во-вторых, для лучшейаппроксимации вводятся эмпирические зависимости для учета изменениячисла Прандтля.Во второй статье [48], приводится экспериментальные данные попленочному кипению различных жидкостей на горизонтальных цилиндрах.Схема экспериментальной установки, используемой авторами, изображена нарис.1.8.Рис.1.8. Схема экспериментальной установки.

1-сосуд, 2-рабочийнагреватель, 3-токоподводы, 4-электроды, 5-клапан, 6- нагреватель, 7-сжатыйазот [48].В качестве опытного образца использовались платиновые цилиндрыдиаметром от 0,3 до 6 мм. Исследуемыми жидкостями являлись вода,спирты, фреоны и криожидкости. Образец нагревался пропусканиемпостоянного тока и погружался в объем жидкости, находящейся притемпературе насыщения. Затем в опытном сосуде создавалось избыточноедавление, что приводило к увеличению температуры насыщения иопределяло недогрев жидкости. В случае экспериментов с криожидкостями,21объем дополнительно термостатировался и охлаждался жидким азотом.

Длялучшейаппроксимациирезультатовэкспериментов,авторамибылапредпринята дополнительная модификация аналитического уравнения, вкоторое вводился член, учитывающий диаметр опытного образца:,где.Из графиков (рис.1.9) видно, что экспериментальные результатылучше аппроксимируются в области малых недогревов, вблизи областизначений минимального теплового потока.Рис.1.9. Сравнение строгого численного решения и аналитическойзависимости с экспериментальными данными для разных жидкостей [48].22Это связано с отсутствием возмущающего воздействия отрывающихсяпаровых конгломератов из-за неустойчивости Тейлора. Лучшее согласиенаблюдается на воде и фреоне-11, худшее на жидком азоте, аргоне и этаноле.Из графиков заметно увеличение КТО с ростом недогрева, что может бытьсвязано с несколькими факторами, как-то влияние свободной конвекции вжидкости, увеличением плотности пара и отвода части тепла прогревомприграничногослояжидкости.Несомненно,приведенныеэкспериментальные данные представляют определенный интерес, особеннотрудоемкие опыты на жидком азоте и аргоне, при которых достигалисьнедогревы до 37°С.

Однако они применимы только для проволочек ицилиндров малого диаметра. Опыты проводились в стационарном режиме.Стоит отметить, что во всех случаях наблюдалось устойчивое пленочноекипение, без перехода к интенсивному микропузырьковому режиму. В этомплане больший интерес могут представлять эксперименты, проведенные натаких же жидкостях, но в условиях больших недогревов и на больших поразмерам образцах.Рис.1.10. Схема течения и теплообмена через тонкую паровую пленкуна стенке.23Вработе[35]авторыпроводилиширокиеисследованияпотеплообмену при пленочном кипении недогретой жидкости в турбулентномпотоке.

Экспериментальная установка представляла собой трубу диаметром8мм, внутри которой была помещена металлическая лента для закруткипотока(степеньзакруткиγ=1,75).Обогревосуществлялсяпучкомэлектронов. В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированнаявода. Температура на входе задавалась в диапазоне от 10 до 70°С. Давления,при которых проходили эксперименты, составляли от 0,7 до 1,55МПа.Отметим, что в режиме пленочного кипения достигались очень большие КТОα=q/ΔT=15кВт/м2К.

Эти значения соответствуют очень малым толщинампаровой пленки δ ~ 25мкм. Выяснилось, что КТО сильно зависит от массовойскорости жидкости и слабо от величины недогрева ΔTsub.Авторами была предложена предельная модель теплоотдачи в условияхбольших недогревов и развитого турбулентного течения жидкости (рис.1.10).В виду малой толщины пленки, можно принять, что в ней полностьюдоминируют молекулярный перенос импульса и энергии. Поэтому, намежфазной границе:В жидкости доминирует турбулентный перенос (начиная от границы спаровой пленкой):Далее, был получен безразмерный КТО:24И специфическое число Рейнольдса, определяющее отношение силинерции (поперечный поток массы) к силам вязкости:В итоге, было получено удобное соотношение:Где( )собственных данных авторов,,константы=0,24 иподобранынаосновании=1,4.Модель справедлива при We<1, когда поверхность паровой пленкигладкая и устойчива к возмущениям.Отметим, что пленочное кипение недогретой жидкости в характерныхдля закалки условиях отличается от приведенного выше.

Главное отличиесостоит в том, что при охлаждении высокотемпературных тел в недогретойводе, процесс пленочного кипения является нестационарным; при этом,приходится принимать во внимание теплофизические свойства поверхности,способность аккумулировать и «отдавать» тепло.1.2 Плёночное кипение недогретой жидкости1.2.1 Микропузырьковый режим кипенияПленочное кипение недогретой жидкость – наименее исследованнаяобласть в физике кипения.

Это выглядит удивительно, ведь этот режимкипения присутствует в огромном количестве технологических процессов,например, в металлургии. Как показывают многочисленные опытные данные,при пленочном кипении недогретой воды достигаются огромные тепловыепотоки. Отсюда вытекает научная проблема, которая заключается в попытке25объяснить механизмы переноса тепла в отсутствие прямого контактажидкость-стенка, а также факторов, ответственных за возникновение такихинтенсивных режимов.Рис.1.11. Зависимость теплового потока от температуры стенки приразных недогревах воды [15].Почти 30 лет назад, английские ученые Hewitt и Kenning [15] впервыепредставили экспериментальные результаты, показывающие существованиеновогорежимакипения,названногоавторами«микропузырьковымкипением». Этот режим наблюдался при пленочном кипении воды приатмосферном давлении, когда недогревы были выше 22К, что видно изрис.1.11.

В экспериментах медные шары с никелевым покрытием падалисквозь жидкость со скоростью более 1,8 м/с. Максимальная температурашара составляла 513°С, а температура воды изменялась в пределах от 50 до100°С. Интенсивность теплообмена в режиме микропузырькового кипениябыла на порядок выше, чем при обычном пленочном кипении насыщеннойили слабо недогретой жидкости. Сам термин «микропузырьковое кипение»появился благодаря наличию большего количества маленьких пузырьков вокрестности паровой пленки, окутывающей сферу.26Позже, в [16], этими же учеными был измерен коэффициент лобовогосопротивления при падении в воде медных шаров диаметром от 16 до 32 мм,и начальной температурой 700°С.

Их скорость была примерно равнойпредельной скорости свободно падающего шара и составляла 1.8 – 2.2 м/с.Дестабилизация паровой пленки и возникновение микро-пузырьковогокипения наблюдалось в экспериментах, когда недогрев воды до температурынасыщения составлял 20-40 К. В обеих статьях [15, 16] началомикропузырькового кипения сопровождалось отклонением траектории шараот вертикали. Это означает, что существуют скрытые силы, которыевозникаютспоявлениемобсуждаемогорежима.Иногдарежиммикропузырькового кипения возникал при нулевой скорости, когда шарнаходился на дне сосуда. Так как, микропузырьковое кипение наблюдаетсяна поверхности, температура которой много выше, чем температурадопустимого предельного перегрева, то продолжительный прямой контактжидкость/стенканевозможенивозникаютвопросыомеханизмеинтенсивного переноса тепла в этом режиме.

В [16], микропузырьковыйрежим наблюдался в воде с недогревом 38 К на шаре с диаметром 32 мм, притемпературе поверхности 670°С, которая превосходит не только температурупредельного перегрева для воды, но даже критическую температуру. Притемпературе выше, чем предельно допустимая, которая практическисовпадает с температурой гомогенной нуклеации, любое вещество можетсуществовать только в виде пара. В обсуждаемых статьях есть толькокачественное объяснение дестабилизации паровой пленки, что приводит кмикропузырьковому кипению.Вболееисследованияпозднейпубликациипленочногокипения[17],водырезультатыоптическогосопровождаютсятолькокачественным описанием процесса.