Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
ю
0,001
HIHi ==¦
0,01
0.1
PIPc
1.0
10
Рис. 8.11. Корреляция данных по критическим плотностям теплового потока при кипении и испарении в условиях вынужденной конвекции. (С разрешения П. Гриффитса и Американского общества инженеров-механиков.)
нужденной конвекции [19]. На оси абсцисс приведены величины, кратные критической плотности теплового потока. При превышении критической точки температура поверхности резко возрастает и начинает колебаться в переходном режиме III, пока стенка не станет полностью сухой и не установится пленочное кипение, если, конечно, материал стенки способен выдержать воздействие температур, характерных для работы системы в пленочном режиме кипения IV. Характеристики течения и теплообмена при кипении в условиях вынужденного течения имеют большое значение для техники безопасности и эксплуатации ядерных реакторов, и, хотя удовлетворительный теоретический анализ всех режимов кипения и отсутствует, были предприняты значительные усилия для получения соотношений, обобщающих экспериментальные данные. Наиболее всеобъемлющее соотношение было предложено Макбетом [48], который в серии отчетов обобщил существовавшие в мире до 1963 г. данные по кризису теплоотдачи при кипении воды. На критическую плот-
Конденсация, кипение и массообмен 455
ность теплового потока влияет множество различных факторов, например энтальпия на входе, длина канала, диаметр и форма трубопровода, давление, ориентация в пространстве, паросодер-жание, расход, распределение плотности теплового потока вдоль
-1 -4^11-41-111-4*— IV
Рис. 8.12. Характерное изменение температуры вблизи критической плотности теплового потока при кипении в условиях вынужденной конвекции. Режимы течения: I —вынужденная конвекция; II-—пузырьковое кипение; III —переходный режим; IV—пленочное кипение.
канала. Тонг [34] и Розенау [19] рассмотрели и систематизировали многие из предложенных соотношений, и читателю рекомендуется ознакомиться с указанными источниками для более детального изучения этой трудной и сложной темы.
Переходное и пленочное кипение
Переходную область между пузырьковым и пленочным режимами кипения трудно охарактеризовать количественно [37]. В переходной области кипения количество генерируемого пара недостаточно для поддержания устойчивой паровой пленки и в то же время слишком велико, чтобы позволить жидкости в достаточном количестве достигать поверхности для поддержания пузырькового кипения. Поэтому Беренсон [38] предположил, что пузырьковое и пленочное кипение происходит поочередно на одних и тех же участках поверхности. Этот процесс имеет неустойчивый характер, и фотографии показывают, что волны жидкости иногда движутся по направлению к поверхности нагрева, а иногда в противоположном направлении. Временами эти турбулентные жидкие образования столь сильно перегреваются, что взрывообразно переходят в пар [39]. С технической
456 Глава 8
точки зрения переходный режим кипения представляет ограниченный интерес; оборудование, предназначенное для работы в пузырьковом режиме кипения, может быть рассчитано достаточно надежно и давать воспроизводимые результаты.
Для пленочного кипения характерно существование паровой пленки, покрывающей поверхность нагрева. Поскольку пар имеет низкую теплопроводность по сравнению с жидкостью, то для передачи тепловых потоков, соответствующих пузырьковому режиму кипения, требуются очень большие разности температур. Поэтому пленочное кипение используется в технике только в тех обстоятельствах, когда этот режим является неизбежным. Примером такой ситуации является кипение при обычных температурах сжиженных газов, как кислород или водород. Кроме того, пленочное кипение может наблюдаться в потоках криогенных жидкостей.
Пленочное кипение происходит при большой разности температур между твердой поверхностью и жидкостью, однако невозможно точно рассчитать минимальное значение температурного напора, необходимое для поддержания устойчивой пленки. Для большинства органических жидкостей при атмосферном давлении это значение составляет по крайней мере 100 К, в то же время известно, что нижний предел температурного напора в значительной степени зависит о г давления. По-видимому, не существует верхнего предела температурного напора для поддержания устойчивой пленки, но при высоких температурах значительное количество тепла передается путем излучения, которое влияет на процесс кипения.
Процесс пленочного кипения классифицируется в зависимости от типа течения плейки пара — вязкого или турбулентного. Течение является вязким, если длина пути пара в пленке короткая (например, на горизонтальных проволоках, небольших горизонтальных трубах или вертикальных поверхностях небольших размеров). На рис. 8.5 иллюстрируется вязкое пленочное кипение на проволоке.
При вязком течении пленки можно достаточно точно рассчитать толщину паровой пленки и плотность теплового потока. Бромли [40, 41] экспериментально и теоретически исследовал устойчивое пленочное кипение на наружной поверхности горизонтальных труб, и его экспериментальные результаты с удовлетворительной точностью могут быть описаны выражением
