Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 4

Тем не менее, эти результаты кажутсякритически важными как с теоретической, так и с прикладной стороны.Действительно, согласно [16], плотность теплового потока на поверхностишара достигали 5-6 МВт/м2 при температуре стенки более 500°С и27недогревах до температуры насыщения 40 К, что хорошо видно из рис.1.12.Это означает, что тепловой поток становится в 20-50 раз выше, чем припленочномзаключаетсякипениинасыщеннойфундаментальнаяжидкости.разницаСледовательно,междувэтом«микропузырьковым»кипением и обыкновенным пленочным кипением.Рис.1.12. Зависимость теплового потока от начальной температурысферы диаметром 20мм в насыщенной и недогретой воде [16].Из-заневозможностипрямогоконтактажидкостиствердойповерхностью, пузырьковое кипение также невозможно.

Кроме того, приперегревах в несколько сотен Кельвинов, должны были бы наблюдатьсяфантастические тепловые потоки в режиме пузырькового кипения. Такимобразом, возникает очевидная проблема в понимании основных механизмовмикро-пузырькового кипения и определения условий его возникновения.К сожалению, последующие публикации на эту тему [18-20], некасались изучения описанного выше микро-пузырькового режима кипения вовремя охлаждения высокотемпературных тел в недогретой жидкости и в нихне упоминались статьи [15-17].Авторы [18] считают, что при недогревах, превышающих 40°С,плёночное кипение не существует, потому, что при этих условиях28наблюдалось очень быстрое охлаждение.

Они рассчитывали эффектнедогретойжидкостинатеплообменприпленочномкипениинацилиндрических образцах со сферической головкой только при малыхзначениях недогревов. Эксперимент заключался в следующем: латунныецилиндры разных диаметров и разной длины, нагретые до температуры600°C, погружались в чистую воду с различной температурой (рис.1.13-а).Температура центра цилиндра и температура воды измерялись с помощьютермопар. Схема образцов и заделки термопар представлена на рис.1.7-b.Рис.1.13. a) схема экспериментальной установки, b) рабочие участки [18].Рис.1.14.

Типичная термограмма охлаждения рабочих участков в : а)недогретой воде, b) насыщенной воде [18].В результате экспериментальных исследований былаполученазависимость температуры на поверхности цилиндра от времени, рис.1.14.29Приэтомиспользовалсяметодсосредоточеннойтеплоёмкостидляизмеренных температур. Экспериментальные данные показали, что КТО независит от длины и диаметра цилиндра. Авторы работы объясняютполученные результаты разрушением паровой пленки в условиях, когдажидкость имеет некоторый недогрев (рис.1.14-а).

При этом, по мнениюавторов, наступает пузырьковый режим кипения. Это предположениезиждется на слабой почве, так как пузырьковый режим термодинамическиневозможен при таких высоких температурах стенки.В экспериментах [19] использовались алюминиевые, медные истальные шары, диаметром 32 и 16 мм.

Недогревы воды не превышали 40 К,а большинство экспериментальных результатов относятся к недогревамменее 20 К (рис.1.15-b). Были проведены исследования влияния различныхпараметров на нарушение плёночного кипения вокруг сферического образца:влияние материала и размера образца, степени недогрева (0-40 К). Шарынагревались до 600°С после чего проходил процесс охлаждения в чистойводе при атмосферном давлении. Авторы установили, что выше некоторойстепени недогрева паровая плёнка разрушается с шумом (происходитвзрывноеразрушениепаровойплёнки),азатемследуетпроцессинтенсивного теплообмена. Как видно из рис.1.15-а, температуру, прикоторой происходит взрывное разрушение плёнки, авторы называютзакалочной (quenching temperature).

Из рисунка 1.15-b заметна устойчиваятенденция к уменьшению времени охлаждения и увеличению, хоть инезначительному, температуры Лейденфроста с ростом недогрева воды.Отмечено, что закалочная температура выше температуры минимальноготеплового потока при плёночном кипении (или температуры Лейденфроста)и возрастает с ростом диаметра шара и степени недогрева, кроме того, имеетзначение и материал образца. Обнаружено, что тепловой поток для образцовбольшего диаметра при повышении степени недогрева внезапно возрастает, вотличие от «классического» поведения на шарах меньшего диаметра(рис.1.16-а).30Рис.1.15.

a) Зависимость температур центра и поверхности от временидля алюминиевого шара. Диаметр шара 32мм, температура воды 90°С, b)Зависимость температуры нержавеющего шарика диаметром 16мм отвремени при разных недогревах воды [19].Рис.1.16. Зависимость теплового потока от времени для: a) шарика изнержавеющей стали 16мм диаметром, b) шарика из алюминия диаметром32мм [19].Так, на алюминиевых сферах диаметром 32 мм была зафиксирована«двугорбая» зависимость теплового потока от температуры поверхности,изображенная на рис.1.16-b. Авторы предполагают, что причиной этомуможет быть взрывное разрушение паровой плёнки, повторяющееся черезнекоторый период восстановлением паровой плёнки.

Объясняется это тем,31что для большей поверхности образца возможны локальные нарушенияраспределения поля температуры по поверхности, что и приводит квозникновению повторяющегося взрывного разрушения плёнки. На рисунке1.17 изображена карта характерных режимов кипения при остывании горячейсферы.Рис.1.17. Зависимость теплового потока от температурного напора для32 мм шарика из алюминия. Уровень недогрева воды составлял 18°С.Обнаружено, что взрывному кипению, предшествует период, впроцессе которого образец визуально похож на шарик для игры в гольф(“golf-ball” boiling period). Характерный размер ячеек при этом составляет 3мм.

В статье представлен теоретический анализ неустойчивости паровойпленки на цилиндрических и сферических поверхностях и уравнение дляминимального теплового потока пленочного кипения, но при этомотсутствует обсуждение механизмов теплообмена при пленочном кипениипри более высоких значениях недогрева воды.32Рис.1.17. Кривые кипения для шариков а) из нержавеющей стали и б)из циркалоя в деионизированной и морской воде [20].Недавняя статья [20] является наиболее близкой к работам [15,16] из-заеё направленности на безопасность АЭС. Однако, если работы английскихавторов были направлены на изучение механизмов, вызывающих паровойвзрыв, то ученые из Тайваня ориентировались на охлаждение топливныхстержней при сценарии аварии LOCA на АЭС.33Рис.1.18.

Кадры нержавеющего шарика при закалке в морской воде.Скорость съемки 15000кадров/с.Исследователи изучали охлаждение шаров из нержавеющей стали ициркониевого сплава диаметром 17,5 мм в деионизированной и морскойводе. Начальная температура металлических шаров составляла 1000°С, атемпература охлаждающей жидкости была 33°С. Температура образца вовремя охлаждения измерялась термопарой, заложенной в сфере нарасстоянии 1,5 мм до поверхности. Авторы приняли, что измеряемаятемператураприближенноравнатемпературеповерхности.Такоепредположение, возможно, законно при низких темпах охлаждения, но привысоких плотностях тепловых потоков температуры в месте заделкитермопары и поверхности должны сильно отличаться. Экспериментальныекривые закалки (термограммы охлаждения) выявили заметные различия приохлаждении в дистиллированной воде и морской воде (рис.1.17).

Вдистиллированной воде весь процесс закалки длится около 40 с, пленочное34кипение длится 16 с для нержавеющей стали и 12 с для циркониевого сплава.Быстрое охлаждение начинается при достижении температурой значений550-620°С. Авторы принимают эту точку за начало пузырькового кипения.

Вморской воде, по мнению авторов, «пленочное кипение отсутствует инаблюдается пузырьковое кипение после короткого переходного кипения».Это заключение основывается в основном на результатах видео съемки, ноотдельныекадры,представленныевстатье,непозволяютделатьоднозначные выводы (рис.1.18). Исследователи справедливо отметили, что вих экспериментах температура сферы была намного выше, чем температурагомогеннойнуклеации.Согласноклассическойтеориигомогеннойнуклеации, которая много раз подтверждалась в экспериментах [21], притаких условиях переход жидкость-пар наблюдается практически мгновенно.Характерное время имеет порядок наносекунд, что на несколько порядковменьше, чем характерная скорость видеосъемки.В статье [22] рассматривалось влияние нано добавок к воде на процессзакалки. Рабочие участки – сферы диаметром 1 см, выполненные изнержавеющей стали и циркониевого сплава охлаждались в воде стемпературой 30 - 100°С.