Теплообмен при пузырьковом кипении, страница 4

Наибольшие сложности связаны с выбором уравнения для расчета составляющей плотности теплового потока за счет кипения q_кип. В рассматриваемом случае вклад составляющей кипения в полный тепловой поток, отводимый от стенки, обусловлен испарением жидкости внутрь парового пузырька по границе сухого пятна. Наиболее проработанное уравнение для расчета теплового потока за счет испарения по границе сухого пятна Q_с.п, полученное на основе физических подходов и результатов опытных и численных исследований, представлено в [48]. Для расчета плотности теплового потока необходимо знать плотность центров парообразования n_F, q_кип = Q_с.п n_F. В настоящий момент опытной информации о числе активных центров парообразования на стенке, их поведения с изменением плотности теплового потока на стенке, параметров потока и других влияющих факторов крайне мало. Можно отметить только работу [170], выполненную для воды при атмосферном давлении. Результаты, полученные в [170], представлены также в [171] и используются в численной модели кипения. «Белые пятна» в теории теплообмена при кипении, связанные с недостатком информации о n_F отмечается В.В. Яговым в [34]. Постулируя в [48], что n_F ~ R_*^-2 для расчета плотности теплового потока за счет испарения получается выражение:

q_кип = Q_с.п n_F = const.                              (5.3)

В (5.3) свойства жидкости рассчитываются в состоянии насыщения, значение постоянной выбирается из условий согласования опытных и расчетных данных. При выборе значения постоянной в (5.3) равным 0.23 и используя уравнения (5.1) – (5.3) удается добиться приемлемого согласия с опытными данными, представленными в разделе 5.1 и полученными ранее данными [130] при давлении p = 1 МПа.

Рис. 5.11 показывает результаты сопоставления опытных данных с расчетом по (5.1) – (5.3). Особенности расчета a_кон в (5.2) отражены в разделе 4.2. Как следует из рис. 5.11, вклад конвективного теплообмена в общий тепловой поток, даже для прямого потока и относительно малых массовых скоростях для опытных данных, полученных на РУ № 1, весьма высок.

Рис. 5.11. Сопоставление опытных данных, полученных в трубе без ленты при давлении p = 1 МПа, rw = 2000 кг/(м²×с) с расчетом по (5.1) – (5.3)

При обобщении всего массива собственных опытных данных, включая представленные в [130], выяснилось, что наблюдаются систематические отклонения расчетных данных от опытных при переходе к другим давлениям. Можно предположить, что это связано с использованием ряда допущений при получении уравнения (5.3). Более точный учет формы кривой насыщения при расчете R_* не улучшает картину сопоставления. Чтобы избежать введение эмпирических поправок на влияние давления и сохранить единый вид слагаемого q_кип в (5.1) для его расчета было использовано итоговое соотношение работы [48] (см. уравнение (1.13)). В (1.13) значение эмпирической постоянной 3,43×10^-4 подбиралось из условия согласования с массивом данных по кипению в большом объеме. Естественно, что значение этой постоянной при обобщении данных о кипении в сильно недогретом потоке необходимо уменьшить, ведь минимальные перегревы стенки, характеризующие начало кипения в условиях опытов, являются критическими при кипении в большом объеме. Кроме того, в (1.13) было опущено слагаемое, учитывающее поправку на форму кривой насыщения. Скорректированное значение эмпирической постоянной в (1.13), равное 0,47×10^–4 было выбрано из условия согласования расчета по (5.1) с собственными опытными данными [172, 173]. Итоговое выражение для расчета плотности теплового потока за счет кипения в (5.1) имеет вид [173]:

                  (5.4)

В уравнении (5.4) безразмерный теплофизический комплекс В отражает влияние давления, а все свойства определяются в состоянии насыщения.

Сравнение расчетов по (5.3) и (5.4) показано на рис. 5.12. Расчеты выполнены при параметрах опытов [130] при давлениях 0.7, 1.0 и 1.5 МПа. Как видно из рис. 5.12 при давлении 1.0 МПа наблюдается полное соответствие результатов расчетов по (5.3) и (5.4). При давлении 0.7 МПа при фиксированном перегреве расчет по (5.3) дает заниженные в сравнении с (5.4) значения q_кип , а при р = 1.5 МПа – завышенные. Сопоставление, представленное на рис. 5.12 позволяет утверждать, что использование для расчета q_кип уравнения (5.4) позволят учесть плотность теплового потока, отводимую от стенки за счет испарения по границам сухих пятен с надлежащим учетом влияния давления.