ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Теплообмен при пузырьковом кипении из "Механика двухфазных систем " Кипением называют процесс фазового перехода жидкость—пар, происходящий под уровнем жидкости. Этим он отличается от испарения со свободной поверхности жидкости. Возникновение парового объема (пузырька) в объеме жидкости сопряжено с образованием новой поверхности раздела фаз и, следовательно, требует преодоления своеобразного энергетического барьера . Практически это означает, что жидкость должна быть перегрета относительно температуры насыщения. [c.340] Анализ, ведущий к формуле (8.3), подтверждает необходимость перегрева жидкости относительно температуры насыщения для появления в ней парового пузырька. Возникновение паровой фазы в объеме жидкости, лишенной каких-либо посторонних примесей, называют гомогенным зародышеобразованием (гомогенной нуклеа-цией). Теория этого процесса, которая выходит за пределы содержания настоящей книги, предсказывает, что жидкость должна быть перегрета очень сильно — практически до температуры спинодали, чтобы в ней началось гомогенное зародышеобразование [35]. В физических экспериментах возникает противоположная проблема как исключить появление зародышей за счет различных гетерогенных включений и действительно довести жидкость до состояния, соответствующего условиям гомогенной нуклеации. [c.342] Увеличение перегрева стенки ведет к росту числа одновременно действующих центров парообразования, что сопровождается ростом интенсивности теплообмена. Для кипения характерна очень сильная зависимость плотности теплового потока q от перегрева стенки относительно температуры насыщения это кардинально отличает теплообмен при кипении от однофазной конвекции и от конденсации. Зависимость (А Т) называют кривой кипения, или кривой Нукияма, по имени японского исследователя, впервые описавшего эту зависимость в 1935 г. Типичная кривая кипения со схематическим изображением механизма теплообмена при различных сочетаниях плотности теплового потока и перегрева стенки АТ = представлена на рис. 8.3. Пусть жидкость в обогреваемом сосуде находится при температуре насыщения, отвечающей давлению над ее уровнем. Обогреваемая поверхность, например, в виде обращенной вверх пластины с адиабатной нижней поверхностью размещена под уровнем жидкости. Дополнительное гидростатическое давление столба жидкости над нагревателем обычно составляет ничтожную долю от. По обеим координатным осям используется логарифмический масштаб. [c.343] Пока перегрев стенки относительно не достигнет величины АГд (начало кипения), достаточной для образования паровых пузырьков, тепло от обогреваемой поверхности отводится свободной конвекцией (рис. 8.3, а), а от жидкости — за счет испарения с ее свободной поверхности. В случае турбулентного свободноконвективного движения зависимость q(A.T) имеет вид q (участок АВ на рис. 8.3). [c.343] Несмотря на внешнюю непохожесть картины процесса в режимах индивидуальных и сросшихся пузырей, взаимозависимость плотности теплового потока и перегрева стенки остается практически неизменной вдоль всего участка ВС кривой кипения, что позволяет объединять эти режимы общим названием — пузырьковое кипение. Принципиальной особенностью этого вида кипения является то, что на всем его протяжении абсолютно преобладающая часть твердой поверхности нагрева покрыта жидкостью. Суммарная доля площади сухих пятен (центров парообразования) даже при самых больших тепловых потоках не превосходит 10 %. [c.345] Если кривая кипения в эксперименте исследуется при электрическом обогреве твердой поверхности, т.е. в условиях непосредственного управления плотностью теплового потока, то при достижении некоторого предельного значения q = (точка С на рис. 8.3) пузырьковый режим кипения обрывается катастрофически резко. Фактически непрерывная кривая (А Т) есть результат аппроксимации дискретных опытных точек, каждая из которых получается при достижении стационарного состояния после ступенчатого изменения тепловой нагрузки. Малое увеличение q в окрестности (обычно 2—3 % предыдущего значения) приводит к лавинообразному росту площади сухих пятен и образованию сплошной паровой пленки на обогреваемой поверхности. [c.345] Вдоль участка СЕ по мере роста А Т уменьшается характерное время периодических контактов жидкости со стенкой при достижении стенкой температуры предельного перегрева жидкости это время снижается до нуля и наступает режим пленочного кипения. [c.347] При закалке металлических изделий (или заготовок), в экспериментах, имитирующих послеаварийное охлаждение твэлов ядерного реактора, или в экспериментах, специально поставленных для исследования теплообмена при кипении в условиях нестационарного охлаждения, кривая кипения проходится справа налево. При этом качественно воспроизводятся все характерные зоны DE, ЕС, СВ, ВА количественные отличия от результатов стационарных исследований заметны прежде всего в окрестности точки кризиса пузырькового кипения С в условиях нестационарного охлаждения обычно меньше, чем в стационарных. [c.347] Из всех рассмотренных выше режимов теплообмена практически наиболее важным является пузырьковое кипение. Будучи во многих случаях неотъемлемой частью различных технологий, пузырьковое кипение вместе с тем часто оказывается вне конкуренции как способ охлаждения твердых поверхностей, подверженных высокоинтенсивным тепловым воздействиям (элементы конструкций установок термоядерного синтеза, мощные лазеры, физические мишени и т.д.). Очень сильная зависимость плотности теплового потока от перегрева стенки позволяет отводить потоки энергии огромной плотности при относительно небольших температурных напорах (АТ = - Т )- Ограничением здесь выступает кризис пузырькового кипения, который в свою очередь может быть отодвинут в область весьма высоких плотностей тепловых потоков путем повышения скорости вынужденного движения и недогрева жидкости до температуры насыщения (см. 8.4). [c.347] Лабунцов был первым, кто предложил приближенную теорию теплообмена при пузырьковом кипении. При чрезвычайной сложности и многофакторности процесса назначение такой теории — выявить наиболее существенные его черты. Полученные в итоге расчетные уравнения способны описывать теплоотдачу при кипении в некоторых средних , типичных для технических приложений условиях. В [46] кратко изложено существо подхода Д.А. Лабунцова к анализу пузырькового кипения и представлен современный вариант приближенной теории теплообмена при развитом пузырьковом кипении. [c.348] Действительно, если микровпадины твердой поверхности не имеют каких-либо предпочтительных размеров, т.е. в актуальном для кипения жидкостей диапазоне значений число впадин любого размера примерно одинаково, то уменьшение R означает увеличение числа поверхностных впадин, которые могут стать центрами парообразования. Эту закономерность и отражает формула (8.4), предложенная Д.А. Лабунцовым (1963 г.) прежде всего для технических поверхностей нагрева. [c.349] Числовой множитель q в (8.4) оценивается путем сопоставления с опытными данными, эти оценки дают q = 0(10 —10 ). [c.349] Лабунцовым в 1963 г. [18]. При этом толщина Д находилась из анализа движения жидкости, обусловленного образованием и ростом отдельных пузырьков. [c.350] Следовательно, в жидкости существует градиент давления, вызывающий ее течение к центру. [c.351] При низких давлениях и больших А Г (например, для воды и этанола при = 10 кПа, А Г = 25 К) расчет по линейному соотношению дает Ар, почти вдвое меньшие, чем действительные, соответствующие кривым насыщения. Погрешность расчета по формуле (8.17) в этих случаях не превышает 6 %. [c.354] Вернуться к основной статье