Основы теории теплообмена Кутателадзе С.С. (1013620), страница 64
Текст из файла (страница 64)
На рис. 22.16 показана схема изменения критического теплового потока с ростом положительного массового паросодержания при давлениях меиыс 15 МПа. Кривая 1 соответствует явлению возникновения пленочного кипении (кризис первого рода по терминологии В. Е. Дорощука). Кривая П соответ. ствует процессу высыхания пленки при дисперсно-кольцевом течении жидкой фазы (кризис второго рода). На рис. 22.17 показаны характерные графики реэ мытого перехода от одного критического режима к другому, наблюдаемые при высоких давлениях. Зависимость первого типа (см. рис. 22.16) соответству. ет слабому орошению стенки трубы каплями жидкости из потока пара. Размытая картина (см. рис.
22.17) соответствует значительному орошению. В первою случае наступление кризиса второго рода условно можно характеризовать не. которым критическим (граничным) массовым паросодержанием х„р (табл. 22.!), Соответствующие критические плотности тепловых потоков приведена в табл. 22.2. Таким образом, накопленный в настоящее время обширный эксперимен. тальный материал о кризисах теплообмена при кипении в трубах и каналах по. ка еще не обобщен надлежащим образом. В литературе к данной главе прк.
ведены источники, достаточно полно освещающие имеющееся положение и со. держащие сводки различного рода эмпирических формул и рекомендаций. Таблица 22.1 Граничные массовые паросодержания при кипении воды в круглой трубе диаметром 8 мм 3 — 0 10 12 0,75 0,65 0,55 0,45 0,40 0,35 0,30 0,30 0,70 0,60 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,60 0,50 0,40 0,30 0,30 0,30 0,55 0,45 0,35 0,30 0,30 0,45 0,35 0,30 0,30 750 1000 1500 2000 2500 3000 4000 5000 Таблица 22.2 Выборочнме данные из скелетной таблицы критических плотностей теплового потока (иВт/мз) при кипении воды в круглой трубе диаметром 8 мм при Различных давлениях 0,2 0,4 0,1 0,1 0,4 0,2 р=З МПа 16 МПа 750 1500 2500 4000 5000 7,50 6,55 5,50 4,80 4,30 2,00 2,30 2,65 3,15 3,75 1,50 1,60 1,80 2,10 2,40 1,20 1,15 1,25 1,45 1,65 0,80 0,45 0,50 0,70 0,80 6,75 5,40 4,25 3,50 3,30 750 1500 2500 4000 5000 5,50 3,80 2,30 8,00 7,60 7,20 7,05 20 МПа 1О МПа 22.8.
КРИЗИС КИПЕНИЯ В БИНАРНЫХ СМЕСЯХ Работами Ван-Вийка, Ван-Стралена, В. Г. Фастовского, Р. И. Артыма, Г. И. Бобровича, В. Н. Москвичевой и др. было обнаружено, что при кипении растворов критическая плотность теплового потока зависит от концентрации компонент весьма сложным образом.
Автором и его сотрудниками подробно был исследован кризис кипения бинарных смесей, образующих нестабильные пены на примере спирто-водяных растворов (рис. 22.18). Аналогичные зависимости имеют место и для систем вода — н-пропанол, вода — метилэтилкетон, вода — ибутанол и некоторых других. Отчетливо обнаруживаются максимумы значений д„р, которые зависят как от размеров нагревателя, так и от давления в системе. Эти максимумы не объясняются изменением физических свойств, входящих в формулу (22.2.5), что видно из сопоставления экспериментальных кривых на рис.
22.!8 с кривой, рассчитанной по формуле (22.2.8) при подстановке в нее физических свойств смеси при данной концентрации. В области низких концентраций спирта в воде экспериментальные данные для пластины приближаются к расчетным зна- 317 ВО г,в (ьС,% О,В гв Ог О,! О ОВ Нс О,В О,б ВО С,% Рис.
22.20. Зависимость критерия й от аС! °,(З вЂ” прсмшока О 0.5 мм; й,,а — пласткиа, постаелеккая аа уь кую грек!и Сь ° — пласткка, постаеленкая еа шярокую грань Рис. 22.19. Зависимость разности массовой концентрации спирта 8 паровой и жидкой фазах ЛС от массоной концентрации спирта и жидкой фазе С 318 ! чениям, а при больших концеитрн. циях характер опытных криви! резко меняется. Как видно из рис. 22.19, мнн. симум этой зависимости находится примерно в той же зоне конпен. траций С, что и максимум завнсн. МОСТИ (укр (С) Особенностью кипения таки! растворов, как спирто-водяная смесь, является склонность кобра.
зованию нестабильной пены. Ин. тенсивность пенообразования в оп. ределенной мере качественно Ян. рактеризуется кривой ЬС. Поэтону изменения в структуре пены прн кипении смеси формально можнб оценить величиной ЛС = ЛС/ЛС, (22.8.!) где ЛС вЂ” максимальная разность летучей компоненты в паровой н ! жидкой фазах. Если механизма перехода от одной структуры н О!4 другой одинаковы (т. е.
рассматрн. вается группа подобных по свони Масеабая кончено(рация,% физико-химическим свойствам бн. нарных смесей), то в первом прн(г Рис. 22.!8. Зависимость Окр~ от массовой кон- д Сущ центрации спирта 8 воде для разных размеров поверхности нагрева: однозначная связь между величн. ° — прпеплока (О 9,5 мм!. а=98 ° 10' Па; а — пла- НаМИ й И ЛС. ПряМЫМ ПОдтВЕрждс. стена яа ребре, р =98.19* Па; — — — — расчетаая кркьтя для а=98 10' па; а — пластина на ребре, нием сущестВОВания такой свнзн Р=1! 19'Па;(З вЂ” пласткка паРсбпе, 9=51 ° 1О' Па: дОЛ!КНО бЫТЬ СОВПаДЕНИЕ ЗаВИСНМО' Д вЂ” прпеолска О 0,5 мм, р=!! 19' Па( Х вЂ” проеолека О=-О,5 мм. р=з! ° 19' Па стей й (ЛС), построенных по эно периментальным точкам для левой и правой ветвей зависимостей (у„р (С). Эти соображения подтверждаются данными, приведенными на рис.
22.20. Как видно, зависимость й (ЬС) близка к линейной, а угол наклона опус. деляегся относительным размером нагревателя. Чем больше величин! Р! 1( О!д (р' — р"), тем меньше угол наклона этих прямых, что формально и опн. сывает уменьшение максимумов на кривых (у,р (С). 22.9. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПЕРЕХОД ОТ ОДИОФАЗНОЙ КОИВЕКЦИИ К ПЛЕНОЧНОМУ КИПЕНИЮ На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, возникает значительный перегрев пристенного слоя жидкости по отношению к температуре насыщения при данном давлении над плоскостью. Это явление отчетливо наблюдается в металлических и неметаллических жидкостях при низких давлениях, когда существующие потенциальные центры парообразования выключаются вследствие увеличения критического радиуса зародыша с понижением давления.
Г В такой метастабильной ситуации пленочное кипение может возникнуть, минуя режим развитого пузырькового кипения. Это явление имеет место и при кипении на очень тонких проволоках. По опытам автора, Г. И. Бобровича, Б. П. Авксентюка, Н. Н. Мамонтовой и В. Н. Москвиченой, этот переход имеет кавитационный характер †происход взрывообразное возникновение облака микро- пузырей в окрестности нагревателя, испарение пристенного слоя жидкости и формирование паровой пленки. Некоторые фотографии такого процесса показаны на рис. 22.2!. Ниже излагается модель этого явления, предложенная автором и Б.
П. Авксентюком. Критические тепловые потоки, имеющие место при нестабильном кипении, лежат в диапазоне между р„р„обусловленной описанным ранее гидродинамическим механизмом, н д„р„соответствующей минимальному тепловому потоку, вызывающему непосредственный переход от одНОфаЗНОй тЕПЛОВОй КОНВЕКцнн К ПЛЕ- Рис.
2221. Фотография взрывообразного НОЧНОму КИПЕНИЮ. Прн Этом ДОЛЖНО возникновения паРовой пленки на проволок. ном нагревателе при кипении бензола !р иметь место условие =10' Па) Окр, < Окр, ( Окр, !22.9.1) В качестве критерия кавитационного механизма такого перехода можно ввести величину О)зз ггр',г)г ) !22.9.2) где гг„р — критический радиус зародыша паровой фазы; и — характерная скорость перемещения границы раздела фаз; )г: — эффективный объем жидкости, присоединенный к движению границы раздела.
Числитель этого выражения является масштабом работы возникновения паровой фазы, а знаменатель — масштабом воздействия кавитационного импульса. При этом принято р" (( р'. Масштабом максимальной конечной скорости перемещения границы раздела фаз может быть ее значение при радиусе пузыря порядка !с„р, а масштабом присоединенного объема жидкости — его максимальное значение, соответствующее радиусу лапласовой постоянной. Тогда, определяя скорость пе- 319 ремещения поверхности пузыря по модели теплового удара (см. гл. 21), по. лучим (22.9.3) Подставляя эти масштабы характерных величин в выражение (22.9.2), полу. чаем безразмерное число критического перегрева жидкости при свободной кон. векции: Ьт„гч = (с! '111' р'з11е йт дз11з пт1га Т.11з (22.9.4) Расчет по этой формуле приведен в табл.
22.3. Таблица 22.3 Значения критического перегрева насыщенной жидкости около поверхности нагрева, обедненной центрами парообразования Иитсрвал давлений. 1О па Интервал даваеиий, 10 па атк, К ат к "ра ' Вещества Вещество Бензол Калий 0,05 — 1,8 0,05 — 0,4 — 100 — 130 !45 83 — 96 0,1 — 0,5 0,01 — 1,5 Цезий Этанол На рис. 22.22 приведена характерная диаграмма границы вскипания по опытам с двумя неметаллическими жидкостями. На рис. 22.23 представлены ре. зультаты обработки опытных данных по критерию (22.9.4) для калия, цезия, бензола и этанола.
Е10 01040 10У 0 10 к 1т1 ргр Рис. 22.22. Обработка экспериментальных данных по перегре- вам перед вскипанием для зтанола и бензола: ° ,а †перех к пузырьковому кипению; О.ь †перех к пленочному кипению 320 т в ч1 Р, й р оТ")(гРвЛТ)' огр" Т" 1 0(р'-р") 1 Ф г и 10г н 8 ч ь-0 ь 'Ч 1о "' ь 8 8 10-' 2 Х 4 8 810~ 2 8 4 6' 810 хтурхр Ркс.
22.23. Минимальные перегревы, при которых вскипание приводит к пленочному кипению (обработка опытных данных) Как видно, кавитационная модель непосредственного перехода однофазной тепловой конвекции в пленочное кипение качественно вполне правильно описывает наблюдаемые факты. Количественное согласование имеющихся экспериментальных данных также можно считать удовлетворительным. 22.!О. ВЛИЯНИЕ МЕТАСТАВИЛЪНОСТИ ПРИСТЕННОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА ПЕРВУЮ КРИТИЧЕСКУЮ ПЛОТНОСТЬ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В металлических жидкостях при критических режимах кипения имеет место заметный отвод тепла через жидкость даже в условиях нормальной гидродинамической неустойчивости пристенного двухфазного слоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
