Нестационарный теплообмен - Кошкин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
ТкРп — температура кризиса пленочного кипения. Предполагается, что при Tw = 7Кри возникают кратковременные контакты жидкости со стенкой, во время которых успевает развиться пузырьковое кипение.
В большинстве работ началом переходного кипения и кризисом пузырькового кипения (первым кризисом кипения) называют температуру Тгс = ГкрЬ соответствующую максимуму теплового потока. Такое определение связано с тем, что кризис пузырькового кипения преимущественно исследовали при независимом изменении qw. Потому при qw > qmax система очень быстро перескакивает далеко в область пленочного кипения с температурой Ти, Гкр1, что приводит к разрушению стенки и воспринимается как кризис, грозящий аварией. Аналогично при уменьшении qw, когда qw становится меньше gmin, внезапно устанавливается пузырьковое кипение при Tw < Тт,.
При таких реализациях процесса, распространенных в энергетике, пропадал интерес к исследованию переходного режима кипения, а кризисы кипения воспринимались, как резкая смена пузырькового кипения пленочным и наоборот.
Процессы нестационарного охлаждения изделий при закалке или заполнении магистралей и емкостей криогенными жидкостями происходят фактически при независимом изменении Г!г> а не qw. В этих случаях область переходного кипения играет важную роль, а кризисы пленочного и пузырькового кипения воспринимаются как ее начало и конец.
271
Механизм кризисов и всего процесса переходного кипения представляет собой статистическое взаимодействие существенно нестационарных процессов. Рассмотрим эти нестационарные процессы и их взаимодействие.
§ 9.1. КРИЗИС ПУЗЫРЬКОВОГО КИПЕНИЯ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ
Очевидно, что кризис пузырькового кипения — процесс не менее сложный, чем само пузырьковое кипение. Его развитие — результат воздействия многих параметров. Неудивительно, что механизм и закономерности кризиса кипения до сих пор изучены еще явно недостаточно. Существующие теории кризиса рассматривают лишь отдельные его аспекты и поэтому не объясняют многих, уже известных экспериментальных фактов.
Одной из первых и наиболее распространенной теорией кризиса является гидродинамическая теория кризиса, впервые предложенная С. С. Кутателадзе в 1951 г. и затем развитая в работах других исследователей.
В основе этой теории лежит предположение о том, что кризис кипения есть следствие нарушения гидродинамической устойчивости процесса. С. С. Кутателадзе получает критерий гидродинамической устойчивости методами теории подобия. В работе [40] для этого он постулирует гидродинамическую аналогию между пузырьковым кипением и барботажем жидкости газом, вдуваемым через пористую поверхность с малыми размерами пор.
Далее рассматриваются условия устойчивости двухфазного граничного слоя над неограниченной горизонтальной пористой поверхностью. Предполагается, что объем жидкости неограничен, она неподвижна, а ее вязкостью можно пренебречь.
В этом случае могут взаимодействовать только кинетическая энергия вдуваемого газа puw 2, гравитационные и поверхностные силы в двухфазном граничном слое.
За кризис принят момент возникновения газовой или паровой пленки у поверхности. Работа на оттеснение жидкости из этой паровой пленки толщиной 6 равна ^6(рш — рп). Следовательно, кризис пузырькового кипения постулируется именно как внезапная, резкая смена пузырькового кипения пленочным.
Возникновение кризиса (потеря устойчивости пузырьковой структуры двухфазного граничного слоя) в рассматриваемой модели равновероятно в любом месте бесконечной пористой поверхности. Тогда отношение рассматриваемых величин должно быть некоторым числом (если в момент кризиса
= WKp) •
..2
const.
РА“р
(Рж Рп)
.272
Из анализа размерностей толщина паровой пленки б
и
Рп^'кр
!>„WKP
= const.
\ ?(Рж Рп) Я^(рж Рп) V(Рж Рп)
Или если извлечь квадратный корень, то критерий устойчивости
и _ -^кр VРп
Рп)
(9.1)
При кипении
^кр I
Фп
Тогда критическая плотность теплового потока в большом объеме жидкости с |л ^ 0 при свободной конвекции
‘/кр! = kr ^Рп У ^°(Рж—Рп) •
(9.2)
Из экспериментов k = 0,14 -f- 0,16.
На рис. 9.1 [40] даны расчетная и экспериментальная зависимости #Kpi от давления по уравнению (9.2) при k = 0,14 для дистиллированной воды. Максимум <7кр1 имеет место при Р/Рк « 1/3.
Н. Зубр на основе анализа фотографических исследований построил следующую гидродинамическую модель кризиса.
При кипении на горизонтальной поверхности вверх от нее поднимаются струи пара, а к ней идут струи жидкости. За кризис приняты условия, когда жидкие струи теряют устойчивость и распадаются на капли, автор нашел, что
во
160 p.ioffi
*5 Н 7 мг
Рис. 9.1. Зависимость qKpi от давления для воды
Используя решение Релея,
Г— 4
• кр!
24
ГУРПУ>*(Рж~Рп)
Рл
(9.3)
Рж + Рп
Это выражение близко к уравнению (9.2), полученному
С. С. Кутателадзе, но в уравнении (9.3) k = — определяется
24
теоретически. Позднее Н. Зубр в модифицированном решении получил пределы 0,12 < k ^ 0,157.
По теории Н. Зубра кризис также рассматривается как резкая смена пузырькового кипения пленочным. Это не согласуется с результатами экспериментов. Так, в работе [160] показано, что даже при qw = qKVi = graax лишь часть тепла пере-
