Глава X. Теплообмен при кипении и конденсации (1013639), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Здесь роль теплосъема конвекцией еще достаточно велика. Область Пб — развитое пузырьковое кипение, характеризу ющееся большой плотностью центров парообразования и пре небрежимой ролью конвекции в суммарном теплосъеме. В этой области тепло в основном переносится паровыми пузырями и увлекаемой ими горячей жидкостью. С ростом перегрева стенки, т. е. величины температурного напора ЬТ = ҄— Т„число центров парообразования растет, растет и доля тепла, переносимая паром (эта доля тепла всегда меньше единицы). При достижении точки я (см.
рис. 10.7) иа части поверхности возникает неустойчивая паровая пленка, что ведет к снижению темпа роста п„при увеличении Т вЂ” Т,. Так как теплосъем с поверхности, занятой паровой пленкой, резко падает по мере ее роста, то и д, пройдя через максимум в точке С, начинает падать.
С ростом АТ тепловой поток достигает минимума в точке Р, когда почти иа всей поверхности имеет место пленочное кипение. Точка С, где д достигает максимума, называется точкой кризиса пузырькового кипения или первым кризисом. Соответствующую ей плотность теплового потока называют критической д„р, или максимальной д,„. Температурный напор, при котором достигается кризис, называют критическим АТ„г~ = Т„„, — Т,. Аналогично, точку Р называют кризисом плейочного кипения или вторым кризисом, Соответствующие ей значения д„и АТ обозначают д„„„или д„р ы и ХТ„р ы = Т р ы — Т . Область 111 между точками С и Р называется переходным кипением. В этой области сильно колеблющаяся граница раздела фаз периодически в разных местах кратковременно касается стенки.
За время контакта т„ в этих местах осуществляется интенсивный теплосъем путем нестационарной теплопроводности и успевающего развиться пузырькового кипения. Доля плошади, на которой жидкость контактирует со стенкой 1, с росгом ЬТ непрерывно падает от 1 в точке и до 0 в точке я,. Переходный режим характерен резкими падениями температуры стенки в местах контакта с жидкостью. Интенсивность этих пульсаций температуры стенки, главным образом, определяется значением Т вЂ” Т и (рею) /(рсХ)„. Область 1Ч устойчивого пленочного кипения условно разбивается на два участка: 1Ча, где вклад излучения в общий тепловой поток пренебрежимо мал, и 1Уб, где перенос тепла излучением уже необходимо учитывать.
Полностью кривая кипения, изображенная на рнс. 10.7 может быть реализована, если процесс определяется изменени~м гъ Т. Когда же задано изменение тепловой нагрузки (электро нагрев, атомный реактор и др.), то прн увеличении и„ свыгпе чем процесс из точки С с большой скоростью (определяемой тепло- емкостью поверхности нагрева) перейдет в точку Е, которое соог ветствует значительно более высокое значение ЬТ. Переход нз м1а точки С в точку Е при кипении воды, жидких металлов и органических теплоносителей опасен, так как приводит к расплавлению и разрушению поверхности нагрева.
В этом и заключается одна из причин интенсивного излучения кризиса пузырькового кипения. Наоборот, при уменьшении и процесс из точки 71, минуя переходную область, перемещается прямо в точку Р, т. е. в область пузырькового кипения с малыми АТ. Конечно, реальные процессы, особенно в области пузырькового кипения, гораздо многообразней, чем это следует из анализа кривой кипения на рис. 10.7. 10.7. КРИЗИС ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ Физически правильно считать кризисом пузырькового кипения левую границу области переходного кипения (точку я на рнс.
10.7). Начиная с этой точки, при увеличении АТ тепловой поток растет медленнее, чем по закону развитого пузырькового кипения, а затем, пройдя максимум, даже начинает падать вследствие того, что тепловой поток на участках поверхности, покрытых паром, много меньше, чем на участках, покрытых жидкостью, а доля площади, покрытая паром, растет с ростом АТ.
Таким образом, появление паровых пятен в количестве, заметно влияющем на характер изменения д (точка я на рис. 10.7), и следует считать кризисом пузырькового кипении. Аналогично, кризисом пленочного кипения следует считать правую границу переходного кипения (точка й на рис. 10.7). Эту границу практически можно определить тогда, когда тепло- съем в местах контакта жидкости со стенкой начинает существенно изменять закономерность теплового потока при пленочном кипении (заметно увеличивая его при уменьшении ЛТ). В литературе исторически принято считать кризисом пузырькового кипения точку д = д,„(по новым исследованиям в этой точке уже заметная доля поверхности покрыта паром), а кризисом пленочного кипения — точку д = д м (точка 71).
Если гидро- динамика взаимодействия пара и жидкости такова, что жидкость ие допускается к поверхности нагрева, то кризис пузырькового кипения называют гидродинамическим. Если же контакт жидкости с поверхностью невозможен из-за сильного перегрева этой поверхности за время роста парового пузыря, то такой кризис пузырькового кипения называют термодинамическим (температура поверхности в месте контакта больше Т,в). В действительности оба вида кризиса могут проявляться не только обособленно, но и в сочетании друг с другом. Одной из первых и наиболее распространенных теорий кризиса кипения является гидродинамическая теория кризиса„предложенная С. С. Кутателадзе в 1951 г., а затем развитая в работах других исследователей.
В основе этой теории лежит предположение о том, что кризис кипения есть следствие гидродинамической 253 устойчивости процесса и что существует гидродинамическая аналогия между пузырьковым кипением и барботажем жидкости газом, вдуваемым через пористую поверхность с достаточно ма лыми размерами отверстий. Методами теории подобия С. С.
Кута теладзе получает критерий гидродинамической устойчивости. Да лее рассматриваются условия устойчивости двухфазного граничного слоя над неограниченной горизонтальной пористой поверхностью. Предполагается, что объем жидкости не ограничен, она неподвижна, а ее вязкостью можно пренебречь.
В этом случае могут воздействовать только кинетическая энергия вдуваемого газа р„п(„((2, гравитационные и поверхностные силы в двухфазном 2 граничном слое. За кризис принимается возникновение газовой или паровой пленки по всей поверхности. Работа оттеснения жидкости из этой паровой пленки толщиной 6 будет д6 (Р— Р,).
Возникновение кризиса (потеря устойчивости пузырьковой структуры двухфазного граничного слоя) в рассматриваемой модели равновероятно в любом месте бесконечной пористой поверхности. Отношение рассматриваемых величин должно быть постоянной величиной (полагая в момент кризиса и(, = п(„р)( Рп(рк = сопз1, я6 (Рж — Рп) Толщина паровой пленки и " '" " 'Р = сопз1. Р ( к(Р Р ( кт г(~ — '~( Или, извлекая квадратный корень, получим критерий устойчиво сти в виде ,рЪРп р' кп (Рж — Рп! При кризисе кипения, полагая, что весь тепловой поток (),р1 .
идет на испарение, найдем критическую скорость пара п(кр = = ()кр1((гкрп). Тогда критическая плотность теплового потока в большом объеме жидкости с р = 0 при свободной конвекции находится из выражения (.„-К.Уркк к'(~.— к(. (10.12) Из экспериментов й„= 0,14 ... 0,16, Формулы типа (10.12) не согласуются с опытами при кипении жидких металлов ни по величине, ни по характеру зависимости ()„р, от давлениЯ, ОсновнаЯ пРичина этого РасхождениЯ заклю.
чается в том, что по гидродинамической теории кризиса весь тепловой поток (1„р„идет на испаРение и отводитсЯ паРом. Это даже для воды приближенно справедливо лишь при достаточно высоких давлениях. Жидкие металлы кипят обычно при давле- 254 ниях, много меньших критического, и обладают большой теплопроводностью.
Следовательно, даже при кризисе значительная доля тепла отводится жидкостью. Тогда, предположив, что формула (10.12) определяет лишь тепловой поток, отводимый паром, можно ее модифицировать ь,.=(~~-~ е)Й,.~р.~'л7р:р>. го~в) Из сопоставления уравнения (10.13) с опытами по кризису в большом объеме натрия, калия, цезия и рубидия при р = = (10 ' ... 0,35) МПа было найдено Чж/Чп = С/Ри (Рв/Ра) > где р„— критическое давление (точка К на рис.
10.1); С = = 4,8 МПа для развитого кипения н С = 1,8 МПа для неустойчивого кипения; й = 0,14 и т = 0,4. Все больше исследуются термодинамический характер кризиса пузырькового кипения и влияние нестационарных аспектов кипения на него. Эти исследования показывают, что в околокритическнх режимах центральная часть поверхности под растущим пузырем высыхает.
Отвод тепла паром от этой части поверхности много ниже, чем жидкостью, и ее температура растет тем быстрее, чем (прн заданном тепловыделении) тоньше стенка (меньше ее теплоемкость) и хуже перетечки тепла теплопроводностью в область, смоченную жидкостью. Если температура сухого пятна превысит Т, за время роста пузыря, то последующий контакт с жидкостью в этом месте, даже после отрыва пузыря, окажется невозможным, пока нз-за перетечек тепла и охлаждения через пленку пара локальная температура поверхности не упадет до значений, допускающих контакт с жидкостью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
