Турбулентная вынужденная конвекция и потери давления в однофазном закрученном потоке, страница 10

Предел кипения

Для кипения в недогретом потоке обычно выделяют две характерные точки по тепловым нагрузкам: точка интенсивной генерации пара и точка, соответствующая КТН. Для определения положения точки интенсивной генерации пара разработано несколько разных подходов, например [79, 82]. Еще большее количество соотношений как эмпирических, так и основанных на различных физических подходах, существует для расчета КТН, являющихся верхним пределом для пузырькового кипения по тепловым нагрузкам за точкой интенсивной генерации пара (в системе поиска научной литературы выдается более 70000 ссылок только на английском языке на запрос ‘critical heat flux’). Подробно вопросы КТН при кипении в недогретом потоке рассмотрены, например в [83–86]. Среди наиболее разработанных моделей можно отметить популярные [87–89] (кроме собственной модели в работе [87] представлен также обзор других известных подходов) и модель В.В. Ягова [90]. Модели [87–89] основаны на рассмотрении сформировавшегося парового бланкета, движущегося вдоль нагреваемой стенки. Кризис наступает, если за время движения бланкета микрослой жидкости под ним успевает полностью испариться. Значение КТН тогда определяется выражением:                      q_кр= r_жdru_б/L_б, где d – толщина микрослоя жидкости, r– теплота парообразования, u_б и L_б – скорость и длина бланкета. Отличия работ [87–89] заключаются в деталях определения толщины микрослоя жидкости, скорости и длины бланкета. В результате для определения q_кр получается последовательность формул, занимающих страницу журнальной статьи.

Представленные опытные данные показывают, что в недогретом скоростном потоке, помимо традиционного критического перехода, отделяющего пузырьковое и пленочное (переходное) кипение, на стадии «пузырькового» кипения присутствует еще один переход от более эффективного механизма теплоотвода («переродившегося» кипения) к менее эффективному (развитое пузырьковое кипение). Этот переход ограничен возможностью отвода тепла от верхней границы пристенной двухфазной области в ядро потока вынужденной конвекцией. Предельная плотность отводимого теплового потока выражается через рейнольдсов поперечный поток массы [90]:

Расчет по (1.14), выполненный для данных [75], показывает, что в пределах 10% точки, соответствующие максимальным значениям коэффициента теплоотдачи на зависимости a(q) совпадают с рассчитанными как для прямого, так и для закрученного потоков. Косвенным фактором, подтверждающим, как и наличие подобного перехода, так и невозможность значительного увеличения плотности отводимого теплового потока при  q > q_пр является успешное использование соотношения (1.14) для обобщения опытных данных о КТН в недогретом скоростном потоке [90]. При этом, для данных, например [91], рассчитанные значения КТН оказываются, как правило, несколько меньше экспериментальных значений. Использование закрутки потока (при одинаковых параметрах потока на входе)  продляет зону «переродившегося» кипения по тепловым нагрузкам. Для случая сильных недогревов и высоких скоростей возможно выполнение условия q_пр> q_мах, где q_мах – плотность теплового потока, при которой температура стенки достигает температуры предельного перегрева жидкости и, следовательно, возможно достижение термодинамического предела кипения [92].

Обзор работ, посвященных исследованиям при одностороннем нагреве, представлен далее. Можно предположить, что именно сочетание условий одностороннего нагрева и закрутки потока, когда жидкость движется по криволинейному каналу, температура стенки которого по ходу потока вначале возрастает, проходит через максимум, а затем уменьшается, позволяет ограничить возможность развития пристенного пузырькового слоя и максимально продлить по тепловым нагрузкам зону «переродившегося» кипения.