Влияние свойств теплоотдающей стенки на теплообмен при кипении

УДК 536.423.4.535.5

ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ СТЕНКИ НА ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ.

И.И. Гогонин

Институт теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе, г. Новосибирск

Поступила в редакцию

Из анализа имеющихся данных следует, что параметры теплообмена при кипении существенно зависят от теплофизических свойств теплоотдающей стенки и ее геометрических характеристик (шероховатости и толщины стенки). Однако в полном объеме корректно оценить влияние шероховатости и толщины теплоотдающей стенки пока не удается. Возможно, поэтому в настоящее время отсутствуют универсальные критериальные соотношения, позволяющие описать огромный массив экспериментальных данных по теплообмену при кипении. В статье представлено обобщение экспериментальных данных по теплообмену при кипении различных жидкостей на толстостенных трубах, имеющих разные теплофизические характеристики и шероховатость.

ВВЕДЕНИЕ

Различные аспекты теплообмена при кипении наиболее подробно рассмотрены в монографиях /1-8/, авторы которых неоднозначно трактуют влияние теплофизических характеристик охлаждаемой стенки на механизм и интенсивность теплообмена при кипении. В [2] исследователи показали, что теплообмен при кипении криогенных жидкостей при прочих равных условиях существенно зависит от теплофизических характеристик стенки и ее толщины. Однако авторы [6] считают, что при кипении обычных жидкостей на стенке из меди, латуни, мельхиора и нержавеющей стали устанавливается одинаковое значение коэффициента  теплоотдачи.

Задачей данной публикации является определение влияния теплофизических свойств теплоотдающей стенки на интенсивность теплообмена при кипении обычных жидкостей.  Анализ экспериментальных данных разных авторов выполнен на основании модифицированного критериального уравнения Д.А. Лабунцова [9,10], предложенного для описания теплообмена при кипении в условиях свободной конвекции.

ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Механизм передачи тепла от теплоотдающей стенки к кипящей жидкости и модель роста пузыря, наиболее подробно обоснованная Лабунцовым в [9], показаны на рис. 1. Пузырь состоит из двух частей: криволинейной верхней, представляющей собой усеченную сферу радиуса R, и нижней, ограниченной конической поверхностью микрослоя. Рост пузыря осуществляется за счет испарения жидкости с поверхности микрослоя, толщина которого не меняется во времени. На рис.1  обозначает некоторое среднее значение динамического краевого угла за период роста пузыря;  - угол между образующей конической поверхностью микрослоя и поверхностью нагрева; и  - глубины захолаживания для низкотеплопроводных и высокотеплопроводных материалов стенки.

Из большого числа экспериментальных работ, например [11-17], где при выполнении измерений строго соблюдались условия свободной конвекции в экспериментальном объеме жидкости, следует, что показатель степени при числе  необходимо принять равным 0.8. Тогда критериальную зависимость Лабунцова можно представить в виде

                                                   (1)

Здесь , где , , , .

Необходимо отметить, что в координатах (1) достаточно хорошо описываются результаты опытов при кипении разных жидкостей в широком диапазоне изменения давлений и тепловых потоков, если они выполнены на толстостенных нагревателях из одного  и того же материала с одинаковой шероховатостью.

На рис. 2 показаны результаты обработки опытов [14, 18-23] при кипении различных фреонов на толстостенных медных трубах и [11, 17, 22] на толстостенных трубах из нержавеющей стали. В табл. 1 указан диапазон изменения основных параметров измеряемых величин при выполнении этих опытов.

В табл. 1 включены только те исследования, где в публикации наиболее полно представлены методика проведения экспериментов и полные характеристики теплообменной поверхности, позволяющие оценить значение .

Чтобы исключить влияние гистерезиса, соответствующего переходу от естественной конвекции к кипению при возрастании теплового потока и при его снижении, обработка результатов опытов проводилась без точек, соответствующих этому диапазону изменения тепловых потоков.

Из анализа представленных на рис. 2 данных можно заключить, что материал теплоотдающей стенки влияет на интенсивность теплообмена при кипении. Подчеркнем, что кипение фреона R12 на медной поверхности исследовалось в работах [8, 20-23], а на поверхности из нержавеющей стали в [11, 17, 22]. При  теплообмен на медных трубах оказывается примерно в 1.8 раза интенсивнее, чем при охлаждении труб из нержавеющей стали.

Обработка опытов в координатах (1) позволяет определить показатель степени при критерии теплового  подобия . Зависимость (1) можно  записать в виде:

                                (2)

Принципиальным недостатком зависимости (2) является полное отсутствие каких либо характеристик теплообменной  поверхности в критериях подобия.

Влияние параметров стенки. Проведенный в [2, 5] анализ механизма теплообмена при кипении позволяет дополнить зависимость Лабунцова безразмерными параметрами, характеризующими теплоотдающую стенку. В этом случае число Нуссельта будет функцией следующих критериев:

                   (3)

Глубина захолаживания. Рассмотрим влияние каждого из дополнительных критериев в зависимости (3) подробнее. Отметим, что один из критериев  в (3) в настоящее время вычислить практически невозможно. Глубина захолаживания , зависящая от динамического угла смачивания , в [2] определена как