Критические тепловые нагрузки при кипении, страница 8

6.3. Обобщение опытных данных

Обобщение опытных данных о КТН при кипении выполнено на основании модели теплообмена при кипении (см. раздел 5.2), приведшей к уравнению (5.1). Сопоставление рис. 6.23 и 6.24 с рис. 5.22 и 5.23 показывает качественное подобие соответствующих графиков на этих рисунках. Можно предположить, что условия отвода тепла в ядро потока вынужденной конвекцией ограничивают и возможность предельного теплоотвода от стенки. КТН в этом случае соответствуют предельным отводимым нагрузкам. Наибольшая плотность теплового потока при пузырьковом кипении q_max соответствует предельной с точки термодинамики температуре стенки, при которой еще возможно существование жидкости. При температуре стенки, превышающей температуру предельного перегрева жидкости при данном давлении, на стенке может существовать только паровая фаза. Кипение сильно недогретой жидкости характеризуется менее сильной зависимостью q(DТ_s), и как, показывают полученные опытные данные о КТН, достижение температуры предельного перегрева жидкости происходит при относительно невысоких скоростях потока. Для условий прямолинейного потока и равномерного нагрева это возможно только в случае q_max <  q_пр, где q_пр – предельная плотность теплового потока, отводимого вынужденной конвекцией в ядро потока от верхней границы пузырькового слоя на стенке, определяемой равенством Т_ж = Т_s. Значение q_пр для прямолинейного потока определяется уравнением (1.14). Закрутка потока приводит к увеличению скорости вблизи стенки в (1+k²)^0.5 раз и появлению дополнительного механизма теплоотвода в ядро потока, обусловленного «центробежной» конвекцией (см. раздел 4.2), которая возникает благодаря наличию градиента плотности жидкости в интенсивном поле массовых сил, действующих в закрученном потоке. Тогда выражение для предельной плотности теплового потока в условиях закрутки принимает вид [212]:

,                          (6.1)

где x_* рассчитывается с учетом увеличения скорости потока (особенности расчета коэффициента трения в закрученном потоке в условиях одностороннего нагрева отражены в разделе 3.3), q_ц — вклад в плотность теплового потока «центробежной» конвекции, q_ц = a_ц(Т_s–T_ж),  a_ц рассчитывается из соотношения (4.7), T_ж – температура жидкости в “сечении” кризиса, для собственных опытных данных соответственно сечение расположения термопар.

На рис. 6.25 представлено сравнение расчета по уравнению (6.1) с опытными данными табл. 6.1 для закрученного потока при T_вх = 20 ^оС. Сопоставление данных, представленное на рис. 6.25, позволяет утверждать, что в области rw  < 4500 кг/(м²×с) расчет по (6.1) соответствует значениям КТН. В области rw  ³ 4500 кг/(м²×с) значения q_кр > q_пр, и, согласно  данным табл. 6.1. достигается термодинамический предел кипения.

Рис. 6.25. Сравнение расчета по уравнению (6.1) с опытными данными табл. 6.1 для закрученного потока при T_вх = 20 ^оС

Рассмотренные в главе 5 особенности теплообмена при кипении сильно недогретого потока позволяют говорить о том, что при тепловых потоках на стенке на уровне критических, в основном теплоотвод от стенки обеспечивается за счет механизма кипения (испарение по границе сухих пятен). В рассматриваемой “двухступенчатой” модели теплоотвода – сначала от стенки до условной границы пузырькового слоя, определяемой равенством Т_ж = Т_s, а затем в однофазное ядро потока, присутствует и играющий значительно меньшую роль теплоотвод от стенки до условной границы за счет вынужденной конвекции. Теплоотвод непосредственно в ядро потока обеспечивается только вынужденной конвекцией. Уравнение (6.1) показывает, что в первом слагаемом равновеликие роли играют и скорость и недогрев потока до температуры насыщения. Влияние слагаемого q_ц в уравнении (6.1) для данных табл. 6.1 составляет 10–12 % от значений первого слагаемого этого уравнения. Область, в которой применим подход, приводящий к уравнению (6.1), ограничена некоторым минимальным значением w(Т_s–T_ж) определяющим границу, при которой можно не учитывать изменение гидравлического сопротивления в сравнении с расчетом по формулам для однофазной конвекции и тепловой поток, обусловленный попаданием пара в ядро потока. Анализ имеющихся опытных данных о КТН при кипении в недогретом прямолинейном потоке показывает, что наиболее часто эта граница соответствует условиям rw  > 2000 кг/(м²×с),  х <–0.2.