Нестационарный теплообмен - Кошкин В.К.
Скачать (прямая ссылка):
* При некотором сочетании достаточно больших значений х и давлений с увеличением ри может уменьшаться qKV i [19].
284
нормальной составляющей гидродинамических сил, стремящих ся прижать пузырь к стенке и сохранить его полусферическую форму, к силам поверхностного натяжения, стремящимся умеиь шить поверхность пузыря, т. е. придать ему сферическую форму.
Это выражение имеет вид
We = R
(У
с,«&+4 r2+4#
4 2
где
Ci — -
И
27_
64
увлекаемого
ип — скорость скольжения парового пузыря, жидкостью вдоль стенки; иж — скорость жидкости.
Из экспериментов ж 0,5, тогда С\ = 0,042. Известно,
иж
что типичный закон роста пузырей
/? = С2Т1/2.
В этом случае
We = R Гс,«ж
16т
При увеличении иж и времени число Вебера уменьшается, так как С\ < 0. Когда оно достигает некоторого критического значения, полусферический пузырь превращается в сферический и отрывается от поверхности гидродинамическими силами.
Так как полусферический пузырь скользит вдоль стенки по тонкой жидкой пленке, то его рост происходит за счет испарения этой пленки (начальная толщина пленки 6о по оценкам составляет примерно 7з от толщины вязкого подслоя жидкости йл ПРИ турбулентном ее течении).
Когда радиус пузыря R больше критического
п ^ 6оРжгоп КР 4^ж(7"ш — Тs) ’
(9.10)
пленка под ним успевает испариться и в задней его части возникает сухое пятно. Это сразу сокращает скорость роста пузыря и значение числа We. Пузырь начинает превращаться из полусферического в сферический и отрывается. Однако время перехода занимает более 20% от времени жизни пузыря к моменту появления сухого пятна. За это время сухое пятно может вырасти до значительных размеров.
Если одновременно возникает много сухих пятен, то это может явиться причиной кризиса пузырькового кипения. Механизм такого кризиса будет зависеть от того, что является независимой переменной — увеличивающаяся температура стенки Т1С или тепловой поток qw.
285
Если повышается TW9 то увеличивается число центров парообразования и скорость роста каждого пузыря. По уравнению (9.10) с увеличением Тго — Г8 снижается /?кр. Следовательно, увеличивается число возникающих и отрывающихся пузырей и тепловой поток qw. Но по мере уменьшения радиуса пузыря уменьшаются гидродинамические силы, отрывающие его от стенки, увеличивается время существования сухих пятен. Начиная с Tw ^ Гя, когда количество пузырей, под которыми существуют паровые пятна, станет значительным (а при их слиянии возникнут участки сплошной паровой пленки), начнется отклонение qw от закона развитого пузырькового кипения, т. е. наступает кризис пузырькового кипения.
Если повышается qw, то за время существования сухого пятна температура стенки под ним увеличивается тем больше, чем меньше теплоемкость стенки 6«чос, приходящаяся на единицу площади. После отрыва пузыря сухое пятно входит в контакт с жидкостью. Если температура в месте контакта Ггр выше Тщъ то пятно остается сухим длительное время.
При приближении qw к qu число таких пятен возрастает, они начинают сливаться, что приводит к дальнейшему росту 7V и быстрому (тем быстрее, чем меньше 6?грс) переходу к пленочному кипению с соответствующим значением Тк — Г, для данного <7кр1 ~ ^/гаах-
Таким образом, в рассмотренном случае qKVi должно зависеть от толщины стенки 6/г, теплофизических свойств стенки и жидкости. Этот вывод согласуется'с результатами экспериментов [164], в которых показано, что с уменьшением толщины нагревателя от 0,25 до 0,15 мм дкрТ снижается на 20%.
Рассмотренные механизмы кризиса в значительной мере определяются нестационарными процессами роста пузыря и его теплообмена с жидкостью и стенкой. Возможны и другие механизмы кризиса пузырькового кипения при вынужденном течении. Их изучение особенно важно, ибо оно служит основой построения расчетных методов определения значений qn, Тп—ТЯу <7кр1 и Tw КР1—Г,ч, знание которых необходимо в инженерной практике.
§ 9.3. КРИЗИС ПЛЕНОЧНОГО КИПЕНИЯ
Кризис пленочного кипения обычно регистрируется в координатах qw— (Tw—Ts) (см. рис. 8.11) как минимальный тепловой поток qw = ^min = <7крц или как начало участка (при уменьшении Tw — Ts из области пленочного кипения), на котором начинает заметно повышаться qWy т. е. ---—------ < 0. Физически
d(Tw-Ts)
это означает, что при уменьшении Tw — Ts толщина пленки пара уменьшается, возникает возможность случайного касания жидкости со стенкой. В местах контакта тепловой поток
286
qmк намного больше, чем на поверхности, покрытой паром дпл. Следовательно, в качестве кризиса пленочного кипения фиксируются такие условия, при которых за счет теплосъема с доли площади /, контактирующей с жидкостью, начинает заметно увеличиваться средняя плотность теплового потока.
Таким образом, для возникновения кризиса пленочного кипения необходимо выполнение, по крайней мере, двух условий для контактов жидкости со стенкой: гидродинамического и
термодинамического. Если термодинамические условия допускают контакт жидкости со стенкой (температура стенки в месте контакта жидкости со стенкой Ггр ниже предельной температуры перегрева жидкости Гпр), но контакт не происходит по гидродинамическим причинам (паровая пленка еще не потеряла устойчивости), то кризис пленочного кипения будет гидродинамический. А если пленка пара уже не устойчива, a Гш в местах контакта еще больше Гпр, то кризис будет термодинамический. Он произойдет лишь тогда, когда начнет выполняться условие Ггр < Гпр. Все это еще осложняется нестационарными теплофизическими процессами взаимодействия жидкости со стенкой.
