Представленные выше опытные данные о потерях давления и теплообмене при кипении в недогретом потоке жидкости позволяют качественно определить влияние параметров потока на механизм теплоотвода от нагреваемой стенки. К основным влияющим параметрам относятся массовая скорость и относительный недогрев жидкости до температуры насыщения в характерном сечении, определяемый в опытах температурой жидкости на входе, давлением и приведенной длиной канала. Анализ опытных данных показывает, что особенности, присущие кипению в сильно недогретом скоростном потоке, наиболее отчетливо проявляются при значениях массовой скорости rw > 2000 кг/(м2×с) и недогреве x < – 0,1.
Отметим основные характерные черты кипения в недогретом скоростном потоке:
«Начало кипения»
Развитие пузырькового кипения в сильно недогретом потоке происходит плавно, без резкой смены режимов теплообмена. «Начало кипения», применительно к рассматриваемым условиям – тот момент, когда вклад составляющей кипения в полный тепловой поток, отводимый от стенки, становится заметным на фоне конвективной составляющей теплообмена. Перегрев стенки относительно температуры насыщения, соответствующий «началу кипения» в сильно недогретом потоке определяется массовой скоростью, и составляет для относительно малых rw 20¸30 K [74], достигая значений более 100 K для rw > 10 000 кг/(м2×с) [76]. Для определения значений температуры стенки Тнк, соответствующей «началу кипения» обычно решают уравнение aкон(Тнк – Тж) = qкип.
Связь структуры двухфазного потока и механизма теплообмена
Как отмечалось выше, для начальной стадии кипения характерна практическая независимость потерь давления от плотности теплового потока. Сопоставление зависимостей Dр(q) и a(q), полученных например в [64, 65], позволяет уверенно заключить, что изменение характера теплообмена произошло, а потери давления не возрастают. Можно утверждать, что в этом случае пузырьки пара не выходят за границы вязкого подслоя. Модель теплообмена следующая [66, 78, 79]: передача тепла от стенки осуществляется за счет испарения жидкости в основании пузырька и конденсации в вершине, с последующим отводом тепла в ядро потока за счет вынужденной конвекции. На поверхности стенки, не занятой паровыми пузырями, реализуется конвективный теплоотвод. При этом достигается чрезвычайно высокая эффективность теплообмена. Измеренные в работе [61] объемные паросодержания в этом режиме составляют несколько процентов. Результаты визуальных наблюдений [80], выполненных при кипении в недогретом потоке хладона R134a в кольцевом канале, позволили авторам [80], заключить, что с увеличением недогрева и скорости потока происходит подавление генерации пузырьков пара на стенке с уменьшением их размеров.
По мере роста подводимой тепловой нагрузки осуществляется прогрев пристеночного слоя, и условная граница двухфазной области, ограниченная изотермой Тж = Тs, смещается в область ядра потока. Начинается рост потерь давления, обусловленный попаданием паровых образований в область основного течения жидкости [61]. До момента достижения по тепловым нагрузкам точки интенсивной генерации пара в области выходного сечения рабочего участка, возможное объяснение начала роста потерь давления связано с проявлением «пузырьковой шероховатости», такой подход развивается в работе [79]. Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки приводит к смещению вверх по потоку сечения интенсивной генерации пара, увеличивается число пузырьков, попадающих в область основного течения, формируется пузырьковый слой. Подобное проявление «родовых» признаков кипения в недогретом потоке с точки зрения теплообмена приводит к включению менее интенсивных механизмов теплоотдачи, связанных с необходимостью эвакуации паровой фазы от стенки [66]. Экспериментально, снижение эффективности теплообмена в области развитого пузырькового кипения при достижении некоторого предельного значения по тепловой нагрузке, отмечено в [75] и для прямого потока и закрученного, и в [77, 81] для прямого потока. Авторы [75] объясняют второй перегиб зависимости a(q) на рис. 1.11 достижением точки интенсивной генерации пара. В опытах по потерям давления [61], отмечено снижение темпа роста потерь давления в предкризисных режимах, что также можно проследить и по данным [62–64]. Можно предположить, что развитие кризиса теплообмена после достижения в выходном сечении точки начала интенсивной генерации пара по мере роста тепловой нагрузки сдерживает сохраняющийся выше по потоку более эффективный механизм теплоотвода.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.