Адиутори Е.Ф. - Новые методы в теплопередаче (1062108), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В этой области (7;2) Ф)lйдТ( й, что несколько усложняет проведение экспериментов, так как конструкции экспериментальных участков должны отвечать требованиям тепловой устойчивости. Область переходного кипения не столь детально изучена, как области пузырькового или пленочного кипения, при работе в которых все котлы фактически обладают тепловой устойчивостью. Одно из подробнейших исследований области переходного кипения было выполнено Беренсоном [11ь который получил значительное число кривых кипения. По поводу своих экспериментальных данных Беренсон пишет следующее: "В каждом опыте было получено достаточно данных, чтобы полностью определить типичную кривую кипения".
Относительно своих результатов Беренсон сообщает: "Было обнаружено, что данные по кипению в переходной области, за исключением некоторых, представленных на фиг. 5, группируются в логарифмических координатах вдоль прямой, которая соединяет точку первой критической плотности теплового потока(т.е. максимум 4( ьТ( с точкой второй критической плотности теплового потока в области пленочного кипения (т.е. минимум 4( дТ)). Это справедливо также для данных по кипению в переходной области, полученных Браунличем [12), а также Каулакисом и Шерманом [13Г.
Глава у 152 Таким образом, все три независимых исследования, выполненные на протяжении почти 25 лет, указывают в целом, что в переходной области кипения в большом объеме в( д Т) в логарифмических координатах имеет вид прямой, проходящей через максимум и минимум криной в( ЬТ). ЗАКИПАНИЕ Относительно закипания в котлах обычно предполагается, что для начала и(или) поддержания кипения требуется коиечяав разность температур даже в тех случаях, когда вся масса жидкости находится в состоянии насыщения. Другими словами, кипение не начинается до тех пор, пока температура поверхности не станет существенно выше темпера. туры напыления жидкости, и прекрвцается задолго до того, как температура поверхности понизится до температуры насыщения жидкости.
Например, Розе. нау (9, стр. 13-2) пишет: "Появление первых пузырей ... при нагревании обьема жидкости, находящейся в состоянии насыщения... требует существенного перегрева". И далее, на стр. 13-5: "Некоторые эксперименты показали, что при атмосферном давлении кипение воды на нагретой поверхности начинается при перегревах относительно температуры насыщения - 17'С". Касаясь режима работы установок при закипании, Корти и Фост 114] тяк описывают закипание и большом объеме органических жидкостей: "Если кипение происходило при довольно больших значениях плотностей тепловых потоков (9 = 47 000 Вт/ мэ), поверхность бывала густо покрыта колоннами пузырей (сотни на квадратный сантиметр). По мере уменьшения плотности потока все большее их число схлопывалось и, наконец, один за другим исчезали немногие из оставшихся зародышей.
Если уменьшение плотности теплового потока прекращалось и подводимая энергия вновь возрастала, то состояние системы в этот момент определяло путь восстановления пузырькового кипения. Если допускалось исчезновение всех активных центров и поверхность освобождалась от пузырей по крайней мере на 10- 15 мин, то оказывалось возможным поддерживать теплообмен путем свободной конвекции при значениях ьТ, значительно пре- Кипвиив, иоидвисоиил и обласвш ввплообмвиа 153 вышавших требуемые для развитого пузырькового кипения в нормальных условиях. Перегревы относительно температуры насыщения жицкости достигали 22 — 28'С без образования пузырей на поверхности нагрева, даже если нормальные значения д Т, соответствующие развитому пузырьковому кипению, составляли только 14 С. Столь чрезмерные перегревы были возможны в течение нескольких минут, но при дальнейшем увеличении температуры на поверхности внезапно начиналось бурное пузырьковое кипение, и д Т при этом уменьшалась до "нормального" значения...
Если увеличение подводимой энергии начиналось сразу же после исчезновения последних активных зародышей, то они ак тивизировались первыми. При дальнейшем увеличении энергии эти зародыши становились центрами участков, на которых происходило бурное кипение, в то время как на остальной части по. верхности оно отсутствовало.
Сильно различающиеся показания термопар указывали, что эти участки имели температуру, характерную для нормального пузырькового кипения, хотя температура поверхности, свободной от пузырей, была гораздо выше... При фиксированной величине подаодимой мощности участки, на которых происходило кипение, были устойчивыми, и их площадь возрастала только с увеличением энергии. При достаточно больших значениях плотности теплового потока ( 126 000 Вт/м') поверхность полностью покрывалась пузырями и явление гистерезиса исчезало. Если уменьшение плотности теплового потока прекращалось, когда еще имелось неоколько активных пузырей, то внонь возникало локальное кипение.
В этом случае число участков с пузырями быстро возрастало и восстанавливалось нормальное пузырьковое кипение..." Данные Корти и Феста ~11, представленные на фиг. 3-8 их рабо- ты, также указывают, что при перегревах, не превышающих 11'С, "активные центры" отсутствуют, т.е. отсутствуют участки, на которых образуются пузыри.
Что касается больших перегревов, требуемых для закипания орга- нических жидкостей, Шурман и Лардж [15] получкли аналогичные ре- зультаты. Они сообщают: Глава 7 154 "Точку перехода от конвекции к пузырьковому кипению легко обнаружить по резкому уменьшению разности температур меж ду проволочкой и массой жидкости... В этой точке перехода возможно падение температуры до 30'С для и-гептана и до 18'С для перфторметилциклогексана". НЕОБЫЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯШИЕ ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ В КОТЛАХ Жидкие металлы в котлах часто ведут себя необычно. Кипение жидких металлов в большом обьеме при значениях плотностей тепловых потоков, соответствующих началу области пузырькового кипения, нередко приводит к возникновению в установке развитых кглебательных процессов.
Например, Колвер и Балцизер [16) пишут: "Во всех опытах в трубе с кипящим металлом термопары регистрировали колебания температуры. В ряде опытов при низких плотностях теплового потока наблюдались заметные колебания как среднемассовой температуры, так и давления. О подобных колебаниях сообщается в литературе (автор приводит шесть ссылок на работы) ...
Колебания температуры (зафиксированные поверхностными термопарами) достигали 83'С при плотностях теплового потока, не превышающих 790 кВт/ м'. В некоторых случаях температура быстро увеличивалась до некоторого значения, а затем медленно (со скоростью ° 0,5 град/с) возрастала до максимального значения. Затем она мгновенно падала до первоначального значения, Много раз это падение превышало первоначальное увеличение температуры и было на 28'С ниже исходного значения ... Каждое мгновенное падение температуры сопровождалось всплеском давления и слышимым глухим ударом. Максимальное изменение среднемассовой температуры составлялс...
39'С... При плотностях теплового потока, превышающих 790 кВт/ мв, амплитуда колебаний в трубе значительно уменьшалась, а средне- массовая температура и давление в системе оставались существенно постоянными. Из фиг. 9 видно, что при плотностях твыового потока, машших 790 кВт/ м в ..., процесс пузырькового кипения ... периодически прекращался и происходил возврат к конвективному переносу тепла Эти всплески могут представлять перегревы системы, вызванные исчезновением активных центров Кипение, аонденееанл а облаена иеалообмена 155 парообразоваиия. Когда перегрев системы вновь становился достаточно большим, в системе внезапно развивалось бурное кипение, сопровождавшееся падением температуры.
Многократно при падении температуры достигалась температура насыщения жидкости. Сразу же после этого колебания температуры указывали на устойчивое кипение. Спустя некоторое время, продолжительность которого зависела от величины плотности теплового потока, устойчивое кипение прекращалось и процесс повторялся. По мере увеличения плотности теплового потока частота всплесков температуры возрастала, а их продолжительность сокращалась. Наконец, они становились настолько непродолжительными, что последующие падения температуры происходили почти немедленно. При более высоких тепловых потоках... колебания обычно не наблюдались". Аналогично при кипении натрия в большом обьеме наблюдалось следующее [171: "В прсцессе образования пузырей имели место сильные колебания температуры стенки котла, которые достигали в некоторых случаях 83 С...
Эти колебания, определявшиеся с помощью фонограмм, всегда сопровождались сильными изменениями уровня шума на экспериментальном участке. Резкое увеличение уровня шума и внезапное падение температуры стенки котла всегда происходили одновременно. Это объясняется наступлением пузырькового кипения.
Образование пузырей может продолжаться..., о чем свидетельствуют непрекращающийся шум и меньшие перегревы стенки... После прекращения шума температура постепенно повышается до своего максимального значения. При устойчивом кипении температура стенки имеет более низкое значение и шум сохраняется. Анализ данных по неустойчивому кипению показывает, что с увеличением плотности теплового потока устойчивость возрастает... Согласно экспериментальным данным, при плотностях теплового потока порядка 630 кВт/ме кипение в большинстве случаев устойчиво".
Марто и Розенау считают такое необычное поведение просто следствием "неустойчивости пузырькового кипения", т,е. пузырько- Глава у 156 вое кипение приводит к возникновению в установке неустойчивых процессов, другими словами, они дают объяснение на основе следствия, а не причины. (Далее мы увидим, что истинная причина заклю. чается в тепловой неустойчивости установки, которая обусловлена необычным видом кривых кипения в большом объеме, часто наблюдае мым у жидких металлов.) НОВАЯ КРИВАЯ КИПЕНИЯ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ. НЕКОТОРЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В старой теории феноменологический подход к кривой кипения в большом объеме приводит к неправильному результату, заключающемуся в том, что эта кривая захватывает область, в которой кипение не происходит.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
