Критическая плотность теплового потока

В начале перехода от пузырькового к пленочному кипению происходит изменение механизма теплоотдачи, называемое кризисом теплоотдачи при кипении.

Максимально возможную плотность теплового потока при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока. Минимально возможную плотность теплового потока при пленочном кипении называют второй критической плотностью теплового потока. Наибольшее практическое значение имеет первая критическая плотность теплового потока (q^)_y поэтому в дальнейшем будем обсуждать только ее, а слово «первая» в названии будем опускать.

Рассмотрим способы определения величины при кипении в большом объеме, т. е. в условиях свободной конвекции жидкости и в условиях вынужденной конвекции. Схему перехода от пузырькового к пленочному кипению можно представить следующим образом. По мере увеличения перегрева (АТ = T_W-T") увеличивается число центров парообразования. При некотором АТ паровые пузырьки покроют всю поверхность нагрева (как твердые шарики одного размера, прилегающие друг к другу и лежащие на ней в один ряд). Очевидно, что в этих условиях следует ожидать реализации критической плотности теплового потока, так как турбулизация жидкости всплывающими пузырьками будет максимальной.

При дальнейшем (даже малом) увеличении АТ слой паровых пузырьков может превратиться в сплошную паровую пленку, которая оттеснит жидкость от поверхности нагрева. В результате изменится механизм переноса теплоты и коэффициент теплоотдачи резко уменьшится, т. е. возникнет кризис теплоотдачи. Возникшая на поверхности нагрева паровая пленка сохраняется как при данном перегреве, А Г, так и при его дальнейшем увеличении (за счет испарения пара и его барботажа в кипящую жидкость).

Допустим газ барботирует в неограниченном объеме жидкости через горизонтальную неограниченную пористую поверхность; жидкость над поверхностью невязкая (р -> 0), что позволяет не учитывать силы трения в ней. При некотором динамическом напоре барботируемого газа (pV'²) будет происходить непрерывно повторяющееся образование газовых пузырьков и их последующее всплывание на всей поверхности пластины. Увеличивая динамический напор газа, можно получить такое его значение ()" при котором пузырьки сольются в сплошной слой газа, который оттеснит жидкость от пористой поверхности. Работа, затрачиваемая на оттеснение невязкой жидкости, может быть определена из выражения.

#б (р'-р*) (где 8 — средняя толщина газового слоя, м, 8 — у —г; р' и ШРр) р" - плотности жидкости и газа соответственно; а — поверхностное натяжение).

Слияние пузырьков в сплошной слой газа на пористой поверхности происходит при определенном постоянном отношении динамического напора к работе оттеснения невязкой жидкости:

где wjjp — критический объемный расход газа с единицы площади пластины.

При анализа перехода от пузырькового к пленочному кипению жидкости в большом объеме можно использовать критерий устойчивости:

Соотношение (17.28) называют критерием устойчивости пузырьковой структуры двухфазного граничного слоя.

Выражение для критического объемного расхода пара при кипении имеет вид:

Формулу для определения критической плотности теплового потока при кипении насыщенной жидкости (ц—>0) в большом объеме получим, совместив выражения (17.28) и (17.29):

Эта формула подтверждена экспериментально при исследовании кипения в большом объеме различных теплоносителей (к = 0,13…0,14) [19] как при атмосферном, так и в широком диапазоне изменения давлений. Некоторые значения q_Kр при различных р рассчитанных по формуле (17.30):

На величину при кипении в большом объеме оказывает влияние шероховатость поверхности нагрева, ее расположение по отношению к направлению вектора силы тяжести и недогрев жидкости (ЛГ^ — VТ_ж), что не учтено в уравнении (17.30).

Для шероховатых поверхностей (например металлических) qкр больше, чем для гладких (например стеклянных) при прочих равных условиях. Считают, что на шероховатых поверхностях жидкая пленка более устойчива.

Для вертикальных пластин q^ меньше, чем для горизонтальных, так как в нижней части первых создаются благоприятные условия для слияния пузырей в паровую пленку.

Недогрев жидкость Д7^_д приводит к увеличению критической плотности теплового потока. Формулы для определения этой величины получают введением в правую часть (17.30) некоторого члена, учитывающего теплоотдачу к недогретой жидкости [12, 13].

Критическая плотность теплового потока в случае, когда жидкость движется вдоль поверхности нагрева, увеличивается по сравнению с критической плотностью при кипении в большом объеме.