Турбулентная вынужденная конвекция и потери давления в однофазном закрученном потоке, страница 5

Основываясь на новых экспериментальных данных о структуре пристенной двухфазной области, Д.А. Лабунцов в его последней работе [47], посвященной теплообмену при пузырьковом кипении, предложил новую модель развитого пузырькового кипения, в которой эффект непосредственного испарения жидкости в растущие пузырьки учтен введением эмпирической функции отношения плотностей пара и жидкости. Итоговое соотношение для расчета теплоотдачи [47]:

                      (1.12)

Модельные представления работ [46, 47], развиты  В.В. Яговым в работе [48]. Согласно модели [48] главной особенностью пузырькового кипения, его родовым признаком является наличие чрезвычайно интенсивных стоков тепла благодаря испарению жидкости по периферии сухих пятен (центров парообразования). Слагаемое q₂ уравнения (1.11), впервые теоретически обоснованное в [48], объясняет наблюдаемую в экспериментах возможность возникновения локальных тепловых потоков, которые на один-два порядка превосходят средний тепловой поток на стенке. Полученное соотношение для развитого пузырькового кипения имеет вид:

,                       (1.13)       где ,  R_i – индивидуальная газовая постоянная.

Уравнение (1.13) обладает большой универсальностью, поскольку параметр B, характеризующий влияние давления, отражает индивидуальные свойства вещества, влияющие на теплообмен при кипении. Сопоставление уравнения (1.13) с опытными данными проведено на массиве из около 3000 опытных точек для 12 различных жидкостей (вода, этанол, метан, этан, этилен, азот, бензол, различные хладоны) [48]. Более 91% всех точек оказалось в диапазоне ±35% от линии, рассчитанной по уравнению (1.13).

Закономерности пузырькового кипения определяют условия теплообмена, не только в большом объеме, но и при вынужденном течении жидкостей в каналах. Рассматривая течение в обогреваемом канале, на вход которого поступает недогретая до температуры насыщения жидкость, выделяют области вынужденной конвекции, начала закипания и развитого пузырькового кипения. Вынужденная конвекция определяет температурный режим стенки до начала кипения и условия закипания. В области сечения, соответствующего началу кипения, однофазная конвекция доминирует в общем переносе тепла от стенки к потоку жидкости. Область соизмеримого влияния механизмов однофазного конвективного теплообмена и пузырькового кипения обычно соответствует достаточно узкому диапазону тепловых потоков, что предопределено сильной зависимостью теплоотдачи при кипении от перегрева стенки. При развитом пузырьковом кипении в области относительно высоких тепловых нагрузок скорость вынужденного течения жидкости практически не влияет на теплообмен. Так, например, в работе [49] показано, что в широком диапазоне давлений и скоростей вынужденного течения теплообмен при кипении хладонов R-12 и C-318 хорошо описывается уравнением (1.13).

Вместе с тем, теплообмен при кипении в скоростном потоке с сильным недогревом до температуры насыщения, имеет свои отличительные особенности. В этом случае отчетливо заметно влияние вынужденной конвекции на характеристики теплообмена не только в области начала кипения, но и при развитом пузырьковом кипении. К подобным выводам приводят результаты экспериментальных исследований, выполненных к настоящему времени и представленных далее.

Для раскрытия механизма теплообмена при кипении в вынужденном скоростном потоке проводятся исследования структуры потока кипящей жидкости. По результатам визуальных наблюдений, фиксируемых с помощью высокоскоростных видео и фото камер, определяют размеры паровых образований, частоту отрыва и время существования пузырьков, и т.д. [50–57].  В качестве примера работ, в которых используются современные технические возможности для исследования структуры потока, можно привести [58–60]. Для слабо недогретой жидкости, в условиях развитого пузырькового слоя, используемые в этих работах миниатюрные термоанемометры, двухсенсорные волоконно-оптические зонды и просветка рабочих участков потоком нейтронов позволяют получить данные о внутренней структуре двухфазного потока, определить паросодержание вблизи нагреваемой стенки. Очевидно, что применение подобных методов для сильно недогретого высокоскоростного потока, когда размеры паровых образований на несколько порядков меньше размеров зондов, невозможно. Изучение структуры потока при кипении сильно недогретой жидкости основано, прежде всего, на интерпретации результатов измерений гидравлического сопротивления каналов.