Модель теплообмена при пленочном кипении в потоке недогретой жидкости

Глава 7. Модель теплообмена при пленочном кипении в потоке                   недогретой жидкости

7.1. Опытные данные

В [130] при исследовании теплообмена было получено около 400 опытных точек, относящихся к стационарному пленочному кипению на участке поверхности охлаждаемого канала в окрестности лобовой точки. Рабочий участок, аналогичный представленным в главе 2, имел внутренний диаметр         8 мм. Установка внутри РУ ленты с k = 0,90 приводила к уменьшению гидравлического диаметра до 4,6 мм. Исследования были выполнены в диапазоне параметров потока воды р_ср = 0.7, 1.0 и 1.5 МПа, недогреве на входе х от -0.4 до -0.2, и массовых скоростях rw= 540  – 8850 кг/(м²×с) [188]. Данные по пленочному кипению, полученные в настоящей работе на РУ №2 и №4, находятся в соответствии с полученными ранее в [130], и не расширяют диапазон параметров потока, перегревов стенки и плотности подводимого теплового потока.

На рис. 7.1 – 7.3 представлены опытные данные [130] в виде зависимости плотности теплового потока от перегрева стенки относительно температуры насыщения DТ_s для разных массовых скоростей при давлениях р_ср = 0.7, 1.0 и 1.5 МПа.

В [130] и в главе 6 настоящей работы отмечается, что в условиях одностороннего нагрева пленочное кипение в закрученном сильно недогретом потоке воды отличается устойчивостью. Перегрев стенки относительно температуры насыщения в подавляющем большинстве режимов был таким, при котором температура стенки заметно превосходила температуру предельного перегрева жидкости. Коэффициент теплоотдачи (КТО) α=q/ΔT_s при пленочном кипении в рассматриваемых условиях оказывается достаточно высоким – до 15 кВт/(м²×К) при максимальных значениях массовой скорости. Даже минимальные значения КТО (около 1,6 кВт/(м²×К)), если принять, что тепло передается от стенки через пленку пара теплопроводностью, соответствуют очень малым толщинам паровой пленки – не более 25 мкм. При этом обнаруживается сильная зависимость КТО от массовой скорости и весьма слабая – от перегрева стенки относительно температуры насыщения.  Недогрев жидкости до температуры насыщения в опытах изменялся не очень значительно (примерно от 100 до 180 K); влияние этого параметра на интенсивность теплоотдачи оказалось слабым. Обобщение опытных данных в [130] было выполнено с помощью эмпирического уравнения. Как отмечалось в главе 1, опытные данные других авторов о пленочном кипении в недогретом потоке в условиях одностороннего нагрева автору настоящей работы не известны. 

Рис. 7.1. Опытные данные по пленочному кипению: р = 0.7 МПа,                         Т_ж.ср = 20 ¸80 ^оC

Рис. 7.2. Опытные данные по пленочному кипению: р = 1.0 МПа,              Т_ж.ср= 23 ¸80 ^оC

Рис. 7.3. Опытные данные по пленочному кипению: р = 1.5 МПа,                         Т_ж.ср = 20 ¸83 ^оC

Опытных данных о теплообмене при стационарном пленочном кипении в прямолинейном потоке недогретой жидкости при равномерном нагреве опубликовано крайне мало. Кроме того, зачастую форма их представления не дает возможности извлечь полную информацию о параметрах потока и температурных режимах стенки. В работе [189], опубликованной более двадцати лет назад, справедливо указывается, что в стационарных режимах пленочное кипение в потоке недогретой жидкости удается исследовать либо при околокритических давлениях, либо при чрезвычайно высоких скоростях течения. В [189] получено уравнение для расчета теплообмена при пленочном кипении в потоке сильно недогретой жидкости и выполнено сравнение расчетов с большинством известных на тот момент опытных данных. Расчетное уравнение в [189] получено на основе аналогии Рейнольдса, в предположении, что пленка пара на поверхности канала оказывает воздействие на гидродинамику потока жидкости как искусственная шероховатость, эквивалентная высота которой пропорциональна средней толщине паровой пленки. 

Опытные данные, привлекавшиеся в [189] можно разделить на несколько групп: данные полученные при околокритических давлениях на воде [176], [190, 191] и гелии [192]; при высоких скоростях течения воды [76]; а также полученные в опытах по нестационарному охлаждению потоком воды массивных металлических тел [193].

В дополнение к использованным в [189] данным удалось привлечь следующие работы о теплообмене при пленочном кипении в недогретой жидкости:

– при высоких скоростях течения хладона R-113 [77, 174];

– при кипении недогретого хладона R-11, движущегося в канале прямоугольного сечения в условиях одностороннего обогрева [194–196];

– при околокритических давлениях воды [197];

– при обтекании вынужденным потоком воды и хладона R-113 наружной поверхности горизонтального цилиндра [198, 199];

– при наличии зоны повышенного нагрева на входе в рабочий участок, охлаждаемый хладонами R-12, R-22 и R-134а [200].