Улучшение характеристик теплосъема при кризисе теплообмена в каналах, страница 2

Рассмотрим причины столь значительного роста q_кр на основе гипотезы о гидродинамической природе кризиса кипения. Согласно модели Н. Зубера, при тепловых нагрузках, близких к критическим, пар от греющей стенки удаляется в виде вертикальных струек. Количество струек и расстояния между ними определяются неустойчивостью Тейлора. Расстояния между струйками пара пропорциональны капиллярной постоянной .

В случае поверхности с пористым покрытием модель кризиса теплообмена существенно меняется. Количество вертикальных струек пара определяется числом крупных пор, по которым пар может выходить в объем жидкости. При этом расстояния между струйками пара могут быть значительно меньше, чем это следует из теории Тейлора. Поэтому количество струек на поверхности с пористым покрытием, а следовательно, и плотность теплового потока, отводимого с паром, могут быть выше, чем при кипении на гладкой стенке. Влияние характеристик пористого покрытия на q_кр отражено в формуле, полученной С.А. Ковалевым и С. Л. Соловьевым [3.7],

где e – пористость материала; R_пр – эффективный радиус поровых каналов, r – скрытая теплота парообразования.

Как видно из этого соотношения, чем меньше радиус пор и больше пористость, тем выше q_кр. Но в соотношение не входят  другие характеристики пористого покрытия, и оно не описывает предельного перехода к  случаю кипения на поверхности без покрытия.

При кипении в условиях вынужденного течения задача усложняется. Механизм кризиса теплообмена может претерпевать существенные изменения. Однако и при кипении в трубах при определенных условиях закономерности, установленные для большого объема, могут выполняться. Посмотрим, в каких случаях они выполняются.

На рис.3.19 представлены данные МЭИ [3.13] по критическим тепловым нагрузкам при течении воды в горизонтальной трубе без покрытия, со спеченным медным  покрытием толщиной 0,15 мм в диапазоне массовых скоростей 200 … 10 000 кг/(м²·с) при паросодержании  – 0,2, и давлении 0,5 МПа. Влияние пористого покрытия на q_кр зависит от массовой скорости. При низких rw  пористое покрытие приводит к повышению q_кр примерно в три раза. С увеличением массовой скорости влияние пористого покрытия ослабевает, хотя остается значительным. При rw = 10 000 кг/(м²·с) значение q_кр в два раза выше, чем в трубе с технически гладкой поверхностью.

Рис. 3.19. Зависимость критической тепловой нагрузки от массовой скорости:

Пароводяной поток, P = 0,5 Мпа, x = –  0,2;

1 – без интенсификаторов теплосъема; 2 – со спеченным медным покрытием толщиной 0,15 мм

Влияние пористого покрытия на теплоотдачу при подъемном  течении пароводяной смеси в прямоугольном канале и трубе при низких массовых скоростях и давлениях в области отрицательных и положительных паросодержаний исследовано в Техническом университете Берлина в рамках совместной работы ТУБ-МЭИ [3.14]. На рис. 3.20 представлены кривые кипения для каналов с технически гладкой поверхностью и никелевым пористым покрытием толщиной 0,15 мм, пористостью 60%, диаметром частиц 40 мкм при течении воды с недогревом 3 К, массовой скоростью 28 кг/(м²·с) и давлении 0,11 МПа .

Как установлено, положительный эффект применения пористого покрытия обнаружен во всех режимах кипения: пористое покрытие приводит к снижению DТ_н.к , росту критической тепловой нагрузки в 1,7 раза и коэффициента теплоотдачи при переходном режиме кипения до 2,4 раза.

Рис. 3.20.  Кривые кипения для одностороннего нагреваемого канала со спеченным никелевым покрытием толщиной 0,15 мм (2)  и без покрытия (1)

Недогрев воды на входе 3К, атмосферное давление, массовая скорость

28 кг/(м²с)

В области положительных паросодержаний x= 0 … 0,5 при

Р = (0,1 … 0,7) МПа, rw = (50 … 400) кг/(м²·с) влияние пористого покрытия на критическую тепловую нагрузку согласно данным

С. Ильдац и Г. Барча [3.15]  менее существенно (до 40%) и может быть как положительным, так и  отрицательным.