Улучшение характеристик теплосъема при кризисе теплообмена в каналах, страница 3

Кризис теплообмена при кипении воды в кольцевом канале и трубе с пористым покрытием исследовал В. С. Полонский [3.16]. В кольцевом канале пористое покрытие нанесено на наружную поверхность внутренней трубы. При давлении 17,6 МПа  критическая тепловая нагрузка  для канала с пористым покрытием возрастает в два раза. При давлении 9,8 МПа  критическая тепловая нагрузка  для трубы с пористым покрытием ниже в 1,2 … 1,7 раза, чем в канале без покрытия. Поэтому сделан вывод о том, что положительный эффект пористых покрытий проявляется при больших давлениях и скоростях потока. Например, при массовой скорости 1500 кг/(м²·с) положительное воздействие пористых покрытий начинает проявляться только при P > 12 МПа.

Попробуем разобраться в имеющихся противоречивых результатах. С этой целью проследим связь между тенденциями влияния пористого покрытия на q_кр и  зависимостью q_кр = f (x, rw)  при кипении воды в трубе с технически гладкой поверхностью. На рис. 3.21 показано изменение q_кр в зависимости от x при различных массовых скоростях для давлений 10 и 18 МПа.

Рис. 3.21. Зависимость критической тепловой нагрузки от паросодержания для различных массовых скоростей пароводяного потока

(а) P = 10 МПа, (б) Р = 18 МПа

Видно, что линии, относящиеся к различным rw, пересекаются в точке А, которая иногда называется точкой инверсии [3.2]. Левее точки А (x < x_инв) с ростом массовой скорости  критическая тепловая нагрузка увеличивается, правее точки А наблюдается понижение критической тепловой нагрузки  с ростом массовой скорости.

Инверсия зависимости q_кр = f(x, rw) связана со сменой механизма кризиса теплообмена. Согласно существующим представлениям с ростом паросодержания потока изменяются режимы течения и механизм кризиса теплоотдачи. Считается, что в случае отрицательных и небольших паросодержаний (пузырьковое течение) кризис теплоотдачи возникает в результате изменения гидродинамических условий в пристенном слое. В этом случае механизмы кризиса теплообмена в трубе и большом объеме имеют много общего.

При более высоких паросодержаниях  пузырьковый режим сменяется дисперсно-кольцевым, и кризис теплообмена возникает в результате высыхания пленки жидкости. Количество жидкости в пленке уменьшается из-за ее испарения и уноса с гребней волн и увеличивается в результате выпадения капель из ядра потока.

Можно предположить, что изменение механизма кризиса теплоотдачи и тенденции в зависимости q_кр от rw взаимосвязаны. Действительно, если преобладает пузырьковое кипение и кризис теплообмена возникает в результате нарушения устойчивости структуры двухфазного пристенного слоя, то при росте массовой скорости, облегчается удаление пузырей и значение q_кр растет, что и наблюдается левее точки инверсии.

В случае кризиса теплообмена, связанного с высыханием жидкой пленки, с ростом rw  срыв жидкости со стенки паром облегчается  и q_кр снижается . Эта зона располагается правее точки инверсии.

При дисперсно-кольцевом режиме течения ухудшение теплообмена связано с высыханием пленки жидкости на стенке. Заметим, что термин "высыхание" не следует понимать буквально. Пленка в результате высыхания не становится бесконечно тонкой. Вероятно, пленка теряет устойчивость и разрывается на отдельные ручейки, в результате формируется переходная зона. О наличии переходной зоны свидетельствуют существенные пульсации температуры стенки.

Пористое покрытие оказывает влияние на структуру потока, механизм и развитие кризиса теплообмена и может приводить как к  повышению, так и  снижению q_кр.

Можно убедиться в том, что снижение q_кр при нанесении пористого покрытия происходит в том случае, если данные располагаются правее точки инверсии. Напротив, когда влияние rw  на q_кр положительное, пористое покрытие приводит к  росту q_кр.

Совершенно очевидно, что смена механизма кризиса теплообмена происходит не внезапно. Область инверсии может занимать некоторый диапазон паросодержаний. В области инверсии влияние пористого покрытия будет весьма сложным.