Самоподдерживащийся фронт вскипания и кризисы теплообмена тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УЖ 536.423

Авксентюк Борис Петрович

СЖШДДЕРШВАЩИЙСЯ ФРОНТ ВСКИПАНИЯ И КРИЗИСЫ ТЕШЮОШЗНА

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 1931

Работа выполнена в Институте, теплофизик::

Сибирского отделения Академии наук СССР

Официальные оппоненты:

доктор физико-магэяатически:-: наук, профессор Павлов П.А.

доктор технических наук Сорокин Д.Н.

доктор технических наук, профессор Миронов Б.П.

Ведущая организация:

Всесоюзный научно-псследоэательский институт атомного машиностроения (ЗН11ИАЧ), г.Москва

5ашита состоится " ' ^ " 199 Л г. в Л/-_часов

на заседании специализированного, совета Д 0G2.65.0I по заз^те диссертаций на соискание ученой стэпенл доктора наук в Институте теплофизики Сибирского отделения АН СССР по адресу: 630090, г.Новосибирск-90, проспект Академика Лаврентьева, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО АН СССР.

9Р .. /

Автореферат разослан "_ " 199^ г.

Ученый секретарь

специализированного совета ^

доктор физико-математических: наук / Р.Г.Шарафутдинов

. _ : ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

от-щг^ Актуальность темы. Кипение жидкостей обеспечивает высокую интенсивность процессов тепло- и массопереноса в современник энергоналряженных технологиях: энергетика, ракетная и лазерная техника, химическая и холодильная промышленность, криогенная техника, микроэлектроника, металлургия и т.д. Кипение - существенно неравновесный процесс, связанный с возникновением мета-стабильных состояний жидкой фазы. Высокие уровни перегревов жидкости реализуются при процессах, происходящих при паровых взрывах, захолаживании топливной сборни реакторов, закалке изделий, аварийной разгерметизации контуров высокого давления с жидкостным теплоносителем, кризисах теплообмена, переходном режиме кипения. Необходимость создания инженерных методов расчета этих процессов обуславливает практическую значимость исследований динамики распада метастабильной жидкости.

Безаварийная работа устройств с жидкостным теплоносителем в значительной степени определяется правильным выбором режимных параметров, исключающим возможность возникновения кризиса теплообмена - нарушения контакта жидкости с теплонапряженной поверхностью. Несмотря на интенсивное исследование кризисов теплообмена при кипении в большом объеме и в каналах, не поняты все физические аспекты, обуславливающие это явление. Понимание его в значительной степени затруднено из-за отсутствия экспериментальных данных, имеющих фундаментальный характер, которые бы явились основой для создания адекватных теоретических моделей.

Цель исследования. Исследование динамики вскипания жидкостей в области перегревов, соответствующих переходному режиму кипения,для выяснения основных механизмов образования паровых пленок при кризисах теплообмена. Построение феноменологических моделей процессов формирования паровых пленок с целью получения универсальных расчетных зависимостей для основных параметров, определяющих возникновение кризисов теплообмена.

Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты:

I. Показано изменение структуры парообразования в области высоких перегревов - распад метастабильной жидкости происходит

в виде распространения самоподдерживающихся фронтов вскипания. Построена модель для описания этого явления.

2. Экспериментально обнаружена новая разновидность кризиса теплообмена (третий кризис теплообмена) для жидких металлов и органических кидаостей в условиях естественной конвекции, когда переход от однофазной конвекции к пленочному кипению обусловлен распространением фронта вскипания.

3. Определены пороговые значения перегревов для жидких металлов и органических жидкостей, выше которых вскипание приводит к третьему кризису теплообмена.

4. В опытах с органическими жидкостями на поверхностях, обедненных центрами парообразования, получены кризисы теплообмена при неустойчивом кипении. Показано, что механизм формирования паровой пленки при этой разновидности кризисов и третьем кризисе теплообмена един. Определена область для тепловых потоков, при которых возможно возникновение кризиса теплообмена при неустойчивом кипении.

Показано, что при кипении водных растворов полиэтилено-ксида наряду с гидродинамическим кризисом теплообмена возможно ухудшение тепло съема из-за образования на теплоотдавдей поверхности пленки из полимера.

6. С применением методики киносъемок кипения непрозрачных жидкостей получены данные по отрывным диаметрам, частоте отрыва, времени роста пузырей, средней скорости их роста при кипении калия и натрия.

7. Показано, что при погружении нагретого тела в жидкость формирование паровой пленки возможно без предварительного смачивания поверхности жидкостью.

8. Показано, что при отсутствии гидродинамической неустойчивости и возмущений существование паровой пленки возможно при температурах поверхности, существенно меньших температуры насыщения; т.е. при этих условиях второй кризис теплообмена вырождается.

9. Разработана кавитационная модель образования паровых пленок, получены расчетные зависимости для температурных напоров и тепловых потоков, при которых возникают кризисы теплообмена.

Научная и практическая ценность. Экспериментально и теоретически обоснованное явление распространения с ам о п о дне рживаю~ щегося фронта вскипания в метастабильной жидкости вносит коренные изменения в существующие представления о динамике парообразования в жидкости при высоких перегревах и является* существенным вкладом в познание физики кипения. Одним из научных приложений обнаруженной закономерности изменения структуры парообразования является существенное углубление представлений о механизме возникновения третьего кризиса, переходного режима кипения, кризисов теплообмена при развитом и неустойчивом кипении.

Полученные новые экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы и уже используются для создания более надежных и эффективных методов расчета энергетических, химических реакторов и аппаратов, в которых протекают процессы кипения. В частности, результаты исследования динамики парообразования должны быть использованы при расчетах начальных стадий возможных аварийных ситуаций, возникающих при разгерметизации контуров высокого давления, при попадании расплавленного топлива в теплоноситель, при паровых взрывах, неустановившихся и переходных процессах в устройствах с жидкостным охлаждением. Результаты экспериментов по кипению водных растворов полимера дают возможность выбрать оптимальный режим охлаждения при закалке конструкционных материалов.

Ряд материалов диссертации вошел в монографии, учебники, справочники: Исаченко В.П. и др. "Теплопередача", М., 1981 г.; Кутателадзе С.С. "Основы теории теплообмена", М. , IS79 г.; Двайер 0. "Теплообмен при кипении жидких металлов", М., 1980 г.; Субботин В.И. и др. "Теплообмен при кипении металлов в условиях естественной конвекции", М., 1969 г.; Кутателадзе С.С., Накорякоз В.Е. "Теплообмен и волны в газожидкостных системах", 1984 г.; Кириченко Ю.А., Русанов К.В. "Теплообмен в гелии-1 в условиях свободного движения", Киев, 1983 г.; Веркин Б.И. и др. "Теплообмен при кипении криогенных жидкостей", Киев, 1987 г.; Веркин Б.И. и др. "Теплообмен при кипении в полях массовых сил различной интенсивности", Киев, 1988 г.; Кутателадзе С.С. "Теплопередача и гидродинамическое сопротивление" (справочное пособие), IL, 1990 г.

Автор защищает: - Экспериментальное установление и теоретическое обоснование явления распространения самоподдерживающегося фронта вскипания в метастабильной жидкости.

- Экспериментальные исследования кризисов теплообмена при кипении щелочных металлов. Обнаружение новой разновидности кризиса теплообмена (третий кризис), когда переход от однофазной конвекции к пленочному кипению обусловлен распространением фронта вскипания. Определение области его реализации.

- Экспериментальные исследования кризисов теплообмена при неустойчивом кипении. Общность механизмов его возникновения и третьего кризиса теплообмена.

- Опытные данные по отрывным диаметрам, частотам отрыва, времени роста пузырей при кипении калия и натрия.

- Возможность ухудаекия теплообмена при кипении водных растворов полиэтиленоксвда из-за образования на теплоотдавдей поверхности полимерной пленки.

- Гипотезу существования предела для перегрева пристенной жидкости в режиме пузырькового кипения из-за распространения фронтов вскипания.

- Гипотезу, что гидродинамическая неустойчивость, обуславливающая возникновение кризисов теплообмена в большом объеме и при вынужденном течении, есть барокапиллярная неустойчивость, когда определяющую роль играет импульс отдачи пара при интенсивном испарении.

- Кавитационную модель формирования паровых пленок, на основании которой получены формулы для расчетов пороговых значений перегревов при третьем кризисе теплообмена, перегревов при первом и втором кризисах теплообмена.

- Правомерность использования гвдродинамической теории кризисов теплообмена для описания критических плотностей тепловых потоков при вынужденном течении недогретых и насыщенных жидкостей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 3, 4, 5, 6, V, 8 Всесоюзных конференциях по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям при движении двухфазных потоков в элементах энергетических малшн и аппаратов (Ленинград, 1567, 1971, 1974, 1978, 1985, 1990 г.г.), Международном симпозиуме (Токио, Япония, 1967), Всесоюзной конференции молодых

ученых по тепло- и массообмену (Минск, 1969), Международном семинаре по теплопередаче в жидких металлах (Трогир, Югославия, 1971), конференции "Теплофизические исследования - 77" (Обнинск, 1978), S Всесоюзной конференции по тепло- и массообмену (Минск, 1980), Советско-западногерманском симпозиуме по теплообмену в криогенных системах (Харьков, 1985), I, 2 Всесоюзных совещаниях до теплофизике метастабильных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации (Свердловск, 1985, 1989), 32 Научной конференции МИФИ (Москва, 1987), Международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 1988), Всесоюзной конференции по теплообмену в парогенераторах (Новосибирск, 1988), Международном рабочем совещании по высокотемпературным запыленным струям в процессах обработки порошковых материалов (Новосибирск, 1988), 2 Всесоюзной конференции по теплофизике и гидродинамике процессов кипения и конденсации (Рига, 1988), Всесоюзном семинаре по кризисам теплообмена при кипении (Новосибирск, 1989), Международном совещании по межфазным взаимодействиям в многофазном потоке (Дубровник, Югославия, 1990).

Объем работа. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов. Работа содержит 193 листа машинописного текста, 150 рисунка, 9 таблиц. Список литературы включает 283 наименования.

Содержание работы. Во введении выделен вклад автора в исследования по теплофизике кипения жидкостей. Сформулированы основные положения, защищаемые автором. 3 первой главе приведено описание экспериментальных стендов и .методик проведения опытов. Во второй главе представлены результаты исследований динамики парообразования. В третьей, четвертой, пятой главах рассмотрены кризисы теплообмена при кипении в условиях естественной конвекции, в седьмой глвве - при вынужденном течении. В шестой глазе приведены результаты исследований кипения водных растворов полимера.

I. Самоподдерживающийся фронт вскипания

Гомогенная теория зародышеобразования определяет верхнюю границу для перегревов перед вскипанием жидкостей. Эта теория рассматривает лишь стадию рождения пузырьков. Пузырьки критн-

ческого размера как. бы удаляются из системы и заменяются соответствующей массой яидкости.

В экспериментах, реальных условиях имеет место, как правило, гетерогенное зародышеобразование. Снижение перегревов жидкости при гетерогенном вскипании обусловлено наличием готовых центров парообразования - парогазовых пузырьков в объеме жидкости или в углублениях на теплоотдащей поверхности, либо слабых мест, где адгезия жидкости к поверхности нагрева снижена наличием «мономолекулярного слоя поверхностно-активного вещества. Парообразование при вскипании происходит на готовых центрах в виде паровых пузырей. Исследование динамики парообразования сводилось к определению числа активных центров и закономерностей роста паровых пузырей в равномерно перегретой жидкости или на теплоотдащей поверхности. Какой-либо другой механизм распада метастабильной эвдкоста ранее на рассматривался.

В опытах с органическими жидкостями и дистиллированной водой было обнаружено качественное изменение структуры парообразования в области высоких перегревов. Рабочими участками служили проволочки и трубки с наружным диаметром от 0,1 до 10 мм, обогреваемые непосредственным пропусканием через них электрического тока. Киносъемка процессов вскипания проводилась со скоростью до 23000 кадр/с. Исследования проводились в условиях естественной конвекции при квазистационарном нагреве рабочих участков.

Если при низких перегревах теплоотдащей поверхности относительно температуры насыщения возникновение паровой фазы происходило в виде одного или нескольких изолированных пузырей, что наблюдалось ранее исследователями, но при значениях перегревов перед вскипанием выше пороговых было обнаружено качественное изменение динамики распада метастабильной пристенной жидкости. 7 основания возникшего на поверхности нагрева пузыря формировались конусообразные фронты вскипания, которые распространялись вдоль теплоотдакщей поверхности. Под термином фронт вскипания подразумевается лобовая часть парового образования, расположенная вблизи поверхности нагрева (рис. I). На-

о

пример, для вода при давлении 2-10 Па пороговое значение перегрева перед вскипанием, выше которого формировались фронты вскипания, составило ~ 50 К, для бензола при 10^ Па ~ 60 К.

Чем выше перегрев, тем на более ранней стадии роста начального пузыря образуются фронты вскипания. Поверхности парового образования, возникшего в результате распространения фронта вскипания, и начального пузыря шероховаты. Паровые пузыри, растущие в жидкости при низких перегревах, имеют, как правило, гладкую зеркальную поверхность. Линейный масштаб возмущений на межфазной поверхности для воды больше, чем для органических жидкостей.

Данные по структуре парообразования воды получены при перегревах, близких к пороговым значениям и при низких давлениях. Возможно в связи с этим при распространении фронта вскипания в воде наблюдалась следующая особенность - периодически повторяющаяся потеря устойчивости межфазной поверхности жидкость -пар на фронте вскипания. При потере устойчивости на межфазной границе возникают возмущения, амплитуда которых растет в перегретом пристенном слое жидкости. По мере роста возмущения происходило увеличение его поперечного размера, что приводило к увеличению радиуса кривизны фронта вскипания и, следовательно, к уменьшению поверхностных сил. Это происходило до тех пор, пока вновь не достигались условия, при которых возникает неустойчивость, и весь зтот цикл повторялся. Такая особенность распространения фронта вскипания обусловлена большим радиусом кривизны фронта из-за низкой плотности пара вода в сравнении с органическими жидкостями. Для органических жидкостей если и имел место такой процесс, то он был не столь ярко выражен.

Синхронизация киносъемок с записью акустического сигнала позволила проследить изменение размера парового образования и генерируемого этим образованием импульса давления. Исследования показали, что амплитуда импульса давления, излучаемого в жидкость перед фронтом вскипания при его распространении вдоль теплоотдающей поверхности, сохраняет постоянное значение. В паровом образовании за фронтом ветшания давление ниже не только давления в жидкости перед фронтом, но и давления в рабочем объеме до вскипания.

Обработка нескольких десятков киносъемок структуры парообразования для различных жидкостей показала, что во всех без исключения опытах как при температуре насыщения, так и недогре-ве скорость распространения фронта вскипания Гуш) постоянна

во времени. Поперечный размер начального пузыря изменялся во времени для разных опытов по закону _ рИС> 2 при-

ведены данные по 17ф для бензола (а, б), ацетона (в), этанола (г) и воды (д) в условиях насыщения.

Оценки показали, что скорость тепловой волны в жидкости и рабочем участке на порядки ниже скорости фронта вскипания. За время от момента возникновения начального пузыря до распространения фронта вскипания на весь рабочий участок температура теплоот.цающей поверхности не успеет увеличиться на один градус, если даже положить, что все тепло, выделяемое в нагревателе, пойдет на его нагрев. Скорость испарения жидкости на фронте вскипания на порядок ниже скорости фронта вскипания. Когда за- • пасенной теплоты жидкостью достаточно для ее полного испарения, т.е. когда эффективная теплота парообразования Ь < 0, не тре-буется^подвода тепла из массы жидкости .к поверхности испарения. /, - л - (сРф 7ф~СрТ"),1- теплота парообразования, Ср - теплоемкость жидкости. Скорость распространения фронта вскипания постоянна во времени и в случаях существенно меньших теплосодержаний жидкости.

Поверхность жидкости при испарении представляет собой поверхность разрыва, при прохождении через которую нормальная компонента скорости, давление, плотность и энтальпия испытывают скачок. Для лобовой части межфазной поверхности (фронт вскипания) выполняются граничные условия, аналогичные условиям для ударных волн. В системе координат, прикрепленной к фронту вскипания, они имеют следущий вид:

(I)

(2)

-Гер Ц ^

ч2)/г -/>¿4 -л* ч- /г

где у - поток массы пара, и{ - скорость испарения жидкости, р - скорость пара, (5 - поверхностное натяжение, В ~ числовой коэффициент, т~=V^(р/р)/^~линейный масштаб главного радиуса кривизны фронта вскипания,^уО , уз" - плотности жидкости и пара, V - кинематическая вязкость жидкости, -

температура жидкости на фронте вскипания. Индекс "¡р" означает, что свойства берутся при .

Первое кз этих условий описывает непрерывность потока вещества через поверхность испарения. (2) - непрерывность потока импульса. Член в левой части этого уравнения получен по уравнению Бернулли с учетом испарения жидкости на фронте вскипания. Инерционные и поверхностные силы компенсируют реактивные. Вязкостными силами пренебрегли. (3) описывает непрерывность потока энергии через фронт вскипания. При выводе этого уравнения было принято стационарное распределение поля температур в жидкости перед фронтом.

Уравнения (I) и (2) дают выражение для скорости распространения фронта вскипания

т I -

рассчитывается по (3). При/, ^ 0 принималось = ^.Поток массы пара определялся по формуле Герца - Кнудсена:

(5,

где ^ - коэффициент аккомодации, который при расчетах принимался равным единице, /? - универсальная газовая постоянная, /V - молекулярная масса.

На рис. 2 штриховыми линиями показаны расчеты по (4) при

8 =о

и Тф ** Т^г,штрих-пунктирными линиями - расчеты по (4), (3) при 6 =0 и сплошными линиями - по (4), (3) при 5 =7,7. Видно, что учет снижения температуры жидкости на фронте вскипания наиболее существенен для воды, влияние поверхностных сил в наибольшей степени проявляется вблизи пороговых значений перегревов. Необходимость преодоления поверхностных сил обуславливает пороговый характер явления распространения самоподдерживающегося фронта вскипания.

Недогрев жидкости существенно меняет динамику парообразования в перегретом пристенном слое жидкости. Исследования показали, что даже при высоких недогревах фронты вскипания формируются на стадии роста начального пузыря. При аТн < 30 К имеет место согласие расчетов с экспериментом. При более высоких недогревах расчет дает завышенные значения х!т по сравнению с

... , i 30

йфоонт ou

¡í?i вскипания

/

10

Рис.1 Вскипание ацетона <г(2,5мм,/7=7'103Па, аТ =114К, Г=1,24МО.

У9>м/с

"П

У

ш/ь /

Sen zo/i

&т,к

so

100

150

" 105

Л—120 О - 155 А— 17а 20

If^M/c *) у у/о

fíi

р= 7-70&f7a Э/naHOJJ СЗбУ")

ьЪ.к

50

WO

© Р - 2,6-Ю г7а

150 45 50

Ряс.2 Зависимость U¡p от перегрева и давления

а)б) - бензол, в) - ацетон, г) - этанол(96#), д) - вода

----расчет по (4) при S =0, Т^ =Тст ,

расчет по (3),(4) при S = 0, —-расчет по (3),(4) при § = 7,7.

опытом. По-видимому, это связано не только с влиянием недогре-ва на кривизну фронта вскипания, но и с изменением режима оттока пара, вследствии увеличения внешнего давления.

По механизму распространения фронтов вскипания происходит взрывное вскипание жидкостей, нагретых до температур,близких к предельным. Расхождение расчета по (4) с данными, приведенными в работе Шепхерда и Стуртевант (1982 г.), для капель бутана не превышает 20 %. По этой же схеме происходит распространение двухфазной области в жидкости при переводе ее в метаста-бильное состояние путем быстрого сброса давления.

2. Третий кризис теплообмена

Считалось, что в жидкостях,хорошо смачивающих поверхность, пленочный режим кипения возникает всегда после пузырькового режима, пока Ван Стрален (1956 г.), позднее Линхард, Шрок (1963 г.), Роллис, Явурэк (1964 г.), Мамонтова H.H. (1966 г.), проводя исследования кипения воды и органических жидкостей на тонких проволочках,не обнаружили, что при давлениях ниже 3 х х 10^ Па пленочное или переходное кипение устанавливалось после появления только одного пузыря. Это явление они связывали со свойствами, характерными для низких давлений - обедненность поверхности нагрева готовыми центрами парообразования и большими отрывными диаметрами пузырей. Однако никаких опытных данных по этому вопросу в работах не приводилось. Это явление наблюдалось, но специально не исследовалось. Для щелочных металлов, обладащих высокой смачиваемостью, каких-либо сведений о возникновении пленочного кипения после однофазной естественной конвекции в литературе не было. Нами проведены опыты, по исследованию этого явления с цезием на рабочем участке 6 II мм, с калием ^ II и 14 мм и с органическими жидкостями: бензол, этанол и четыреххлористый углерод $ 0,1+10 мм.

В отечественной литературе отсутствовал термин для перехода от однофазной конвекции к пленочному кипению, минуя режим пузырькового гашения. Этому явлению было дано название третий кризис теплообмена. Для каждой из исследованных жидкостей определена область, в которой реализуется третий кризис теплообмена. Снизу она ограничена пороговыми значениями перегревов

и плотностей тепловых потоков ^ , справа - вторыми критическими плотностями тепловых потоков (} к/ог • Верхняя граница определяется предельными перегревами жидкости у поверхности нагрева. Следовательно, для возникновения третьего кризиса теплообмена необходимо, чтобы перегрев и плотность теплового потока перед вскипанием удовлетворяли следующим условиям:

лГ^лТ^, Ч->Чкрг. (6)

Пороговые значения тепловых потоков не обнаруживают существенной зависимости от давления и составляют для цезия 5-10^ Вт/м^, калия 6,5*10^, этанола 7-Ю4, бензола 5-Ю4 Вт/м^ на участках

10 мм. Зависимости пороговых значений от .диаметра рабочего участка следующие: &.Т,. ~с! , О,^ Ы ' .

*" г )т

Образование паровой пленки при третьем кризисе происходило столь быстро, что визуальные наблюдения регистрировали только установившийся режим пленочного гашения. Скоростные киносъемки позволили детально проследить этот процесс. Во всех случаях установлению пленочного кипения предшествовало распространение вдоль теплоогдающей поверхности самоподдерживающегося Фронта вскипания. Продолжительность всего процесса от возникновения паровой фазы до пленочного кипения составляла ~0,1 с.

Исследования показали различие механизмов возникновения третьего кризиса теплообмена и наблюдавшихся ранее на тонких проволочках переходах от однофазного режима к пленочному или переходному кипению. Если в первом случае продвижение межфазной границы вдоль нагревателя обусловлено динамикой испарения на фронте вскипания, то во втором - диффузией тепла по проволочке и соответствует области < 0,1 на карте влияния размеров нагревателя на критические тепловые потоки.

Сопоставление пороговых значений перегревов, выше которых реализуется третий кризис теплообмена, с пороговыми перегревами, при которых начинают формироваться фронты вскипания, показывает, что значения последних ниже. Скорость распространения фронта вскипания на порядок выше скорости испарения. Следовательно, после прохождения фронта вскипания на теплоотдающей поверхности остается слой жидкости. О наличии микрослоя жидкости свидетельствует снижение температуры теплоогдающей поверхности перед ухудшением теплоотдачи.

Возникновение третьего кризиса теплообмена происходит по следующей схеме. При перегревах перед вскипанием выше порогового значения на поверхности пузыря вблизи нагревателя возникает неустойчивость. Это приводит к формированию фронтов вскипания, которые распространяются на всю теплоотдающую поверхность. Остаточный слой жидкости на нагревателе, вследствие изоляции от основной массы паровым образованием, испаряется и температура поверхности после резкого снижения быстро увеличивается. Поэтому после отрыва парового образования на нагревателе устанавливается пленочный режим кипения.

Рассмотрены различные подходы к описанию этого процесса. Например, в качестве условия возникновения третьего кризиса может быть принято высыхание микрослоя жидкости до отрыва парового образования. Расчет по такой модели затруднителен из-за отсутствия информации о толщине остаточного слоя жидкости и отсутствия данных и расчетных зависимостей для отрывных диаметров паровых образований. 9

Отрыв парового образования и установление пленочного кипения происходит на временах, существенно превышающих время распространения фронта вскипания по нагревателю. В предположении, что парообразование происходит по всей теплоотдающей поверхности одновременно, по-видалому, для описания третьего кризиса теплообмена применимы подходы, которые используют исследователи для описания кризисов теплообмена при нестационарном подводе тепла. Однако такой путь упирается в отсутствие надежных универсальных зависимостей, включая жидкие металлы, для скоростей роста и отрывных диаметров пузырей. Была разработана отличная от таких подходов модель, в которой использовано понятие критического зародыша парообразования.

Исследования структуры парообразования показали, что при вскипании жидкостей как бы противоборствуют .два механизма распада метастабильной пристенной жидкости - распространение фронтов вскипания и инициирование растущая! пузырями в своей окрестности образование на нагревателе других пузырей. В ряде опытов имело место сосуществование этих механизмов при вскипании.

На основании расчетов, показавших возможность активации центров парообразования растущим пузырем, была разработана ка-витационная модель формирования паровых пленок для описания по-

роговых значений перегревов, когда реализуется третий кризис теплообмена. Волны давления, излучаемые растущим паровым пузырем в метастабильный пристенный слой жидкости, совершают работу по образованию п. критических зародышей в объеме жидкости!/:

pir2 ~ 0 п /V. (7)

J max кр >

где n/V - плотность зародыией парообразования в перегретой жидкости. Рассматриваемое явление носит пороговый характер, поэтому определяющим процесс является максимальное значение изменения давления. Выражение для максимального значения скорости роста пузыря согласно Лабунцову Д.А. (1959 г.) имеет следующий ВИД; ^ „ г г-г, ч\12

Umax~0>3aLCpfü''/[UJJJJ / Пгр> (8)

где RKp= 26 Т /(LjdaT), а - температуропроводность жидкости. Для формирования паровой пленки паровые полости, возникшие в результате гидродинамического воздействия, должны слиться. Для этого необходимо, чтобы расстояние между критическими зародышами было, по крайней мере, порядка диаметра выросшего парового пузыря . . .ч3/2

n/V &f/<5) ■ (9)

Здесь в качестве линейного масштаба пузыря взята капиллярная постоянная.

Подстановкой в (7) выражения (8), (9), получается расчетная зависимость .для пороговых значений перегревов, выше которых при вскипании возникает третий кризис теплообмена.

.-1/4 7/f6 Ц t/Z -3/8 г ,3/<6 , 4

= 3,8'10 (СрЛ) 6 Т\р ÍAj39) . (1С)

При расчете по (10) свойства берутся при Тст . На рис. 3 приведено сопоставление этой зависимости с опытными данными, полу-ченньш на рабочих участках d10 мм. Для столь разнообразных веществ как калий, цезий, этанол и бензол максимальное расхождение 20 %.

Если по модели, описывающей распространение фронта вскипания, на меафазно;": поверхности как бы расположен реактивный .двигатель, который тащит ее, то по кавитационной модели на фронте вскипания как бы находится постоянно действующий центр парообразования. Но в обоих этих подходах определяющую роль

70л

ю

АГ

\

С1.Н5ОН

р/р,

«г.

6 8ю-* 2 ^ б а ю~3 2. * в вю-^ г.

Рис.3 Обработка данных по & при третьем кризисе теплообмена

3- ю*

10° в в

■«Г,

£т/м*

О - 1 Л-2

Оо л

сю

о

а Д д

-

.А.

70~2 2 4 б 3 ТО'7 2 Л в вю° 2 л Рис.4 Данные по ^^ при кипении цезия. I - данные ч>ЭИ, 2 -авторов, кривая I - расчет по (14), II - по (1С).

I, I .1

/Э то5Па

кр1,Р

> — 1 А-3 +- - 5 * -2 Д х — 6

1 -

+ 20%----ф гг -

»V л <

утг:

*

р/р*

Кр

10" Ю~4 /О'7 7

Рис.5 Обобщение опытных данных по (15). Данные ФЗИ: I - Ка, 2 - К, 4 - Се; авторов: 3 - К; Мамонтовой: 5 - Ь^О; Морозова: 6 - З^О; Ьуоп и др.: 7 - к?.

л-з

играет .динамика испарения. В первой модели она определяет величину импульса отдачи пара, во второй - интенсивность роста пузыря и, следовательно, интенсивность возмущения, вносимого этим пузырем в окружающую его метастабильную жидкость.

3. Кризисы теплообмена при неустойчивом кипении

В опытах с щелочными металлами применялась методика визуализации кипения непрозрачных жидкостей. Объем, в котором происходило кипение металла, просвечивался рентгеновскими лучами. Из-за разного ослабления лучей, проходящих через жидкость и пар, на рентгеновском экране возникало изображение процесса кипения, которое переносилось на экран электроннооптического преобразователя. На аноде ЭОП'а возникало усиленное по яркости изображение, с которого проводились визуальные наблюдения и киносъемки исследуемого процесса.

Исследования кипения щелочных металлов проводилось на рабочих участках с различным состоянием теплоотдающих поверхностей: шлифованные, 6 класса чистоты, с рисками глубиной до 0,1 м:л, с коническими углублениями 0,15*0,2 ш, с тремя искусственными центрами парообразования резервуарного типа. Лишь наличие на теплоотдазощей поверхности центров парообразования резервуарного типа обеспечило устойчивое кипение цезия во всем исследованном диапазоне давлений. В остальных случаях кипение было неустойчивым, сопровождалось характерным треском и значительными пульсациями температуры теплоотдакщей стенки. Как правило, на нагревателе образовывался лишь один крупный пузырь .диаметром несколько сантиметров. После отрыва пузыря следующий зарождался или на том же месте поверхности или после двух-трех следований из одного места зарождался в другом месте. Даже визуально отмечалась низкая частота отрыва пузырей. Со временем работы участка гашение приобретало все более прерывистый характер. Пузыреобразование начинало проходить в виде отдельных серий. На одном центре парообразования возникали один за другим несколько пузырей, затем гашение прекращалось и теплосъем осуществлялся однофазной конвекцией. По истечении какого-то времени (о? секунда до десятка) начинал функционировать какой-либо центр парообразования, не обязательно прежний. Со временем про-

ведения эксперимента интервалы между сериями увеличивались до десятков минут, а сами серии по продолжительности уменьшались. Кипение могло прекратиться совсем и, чтобы его возобновить, необходимо было увеличить тепловой поток.

Киносъемки кипения калия на участке £ 9 мм (шлифованном), 14 мм (6 класса чистоты) и натрия на участке 6 II мм проводились во время продолжительной серии пузыреобразования. В результате обработки кинопленок измерены средние значения- отрывных .диаметров пузырей Ю0 , частоты их отрыва и0 , время роста пузыря т0 и определены средние скорости роста по Число единичных измерений, на основе которых определялись эти средние величины, составляло 5-10 измерений. Например, для натрия результаты обработки сводятся к следующему: 2?д =44 мм, Т0 =0,075 с, Й£"=0,6 м/с.

Визуальные наблюдения и киносъемки показали, что когда кипение щелочных металлов устойчиво, без продолжительных перерывов, картина кипения во многих чертах сходна с неустойчивым кипением обычных жидкостей под вакуумом. Это подтверждается и тем, что данные по отрывным диаметрам пузырек для калия и натрия качественно согласуется с формулой Лабуниова Д.А. к др.■ (1969 г.), которая удовлетворительно описывает данные для неметаллических жидкостей при Я<105 'Па.

Значения критических плотностей тепловых потоков в существенной степени зависят от режима кипения (устойчивого, неустойчивого), предшествующего кризису теплообмена. Чем неустойчивее гашение, тем значения срКр меньше. На рис. 4 нанесены наши и данные ФЭЙ по при устойчивом и неустойчивом кипении це-

зия. Наш данные по критическим тепловым потокам при устойчивом кипении, полученные на рабочем участке с центрами парообразования резервуарного типа, согласуются с аналогичными данными ФЭИ. Значения критических тепловых потоков при неустойчивом кипении в сильной степени зависят от состояния теплоотдающей поверхности и их значения лежат в области, ограниченной снизу пороговыми значениями тепловых потоков для третьего кризиса теплообмена (кривая II) и сверху критическими тепловыми потоками при устойчивом кипении (кривая Г). Расчет проводился по соответствующим уравнениям для однофазной конвекции при пороговых значениях перегревов, определяемых формулой (10).

Неустойчивое кипение наблюдалось ранее для неметаллических жидкостей. Однако, с увеличением теплового потока кипение нормализовалось и кризису теплообмена предшествовало устойчивое кипение. Каких-либо сведений по критическим тепловым потокам с предшествующим режимом, неустойчивого кипения для неметаллических жидкостей в литературе не было.

Для органических жидкостей проведены исследования кризисов теплообмена при неустойчивом кипении. Скоростные киносъемки показали, что на обедненных готовыми центрами парообразования поверхностях неустойчивое кипение носит качественно отличный характер, чем это описывалось ранее в литературе. Наряду с образованием пузырей на греюцей поверхности образовывались неустойчивые паровые пленки.

При малом числе действующих центров парообразования на теплоотдающей поверхности и низкой частоте отрыва пузырей у части нагревателя перегрев жидкости монет превысить пороговое значение, выше которого возникают фронты вскипания. Тогда у основания пузыря сформируются фронты вскипания, которые распространяются на эту часть нагревателя. Яри тепловых потоках, меньших критических, по-видимому, не происходит полного испарения остаточного слоя под паровым образованием. Поэтому после отрыва от нагревателя парового образования очаги пленочного кипения оказываются недостаточно большими, чтобы распространиться на весь нагреватель, к они разрушаются. Таким образом, механизмы третьего кризиса теплообмена и кризиса при неустойчивом кипении аналогичны. Отличие лишь в том, что во втором случае область распространения фронтов вскипания ограничена присутствием на нагревателе паровых пузырей. Состояние теплоотдающей поверхности определяет количество действующих центров парообразования и, следовательно, значения критических плотностей тепловых потоков при неустойчивом кипении.

4. Предельный перегрев жидкости в режиме пузырькового кипения и кризисы теплообмена

Проведенные исследования динамики распада метастабкльнок жидкости, третьего кризиса теплообмена и кризисов при неустойчивом кипении позволяют сделать вывод о существовании предела

для локального перегрева жидкости при кипении. Для этого понятия введен термин - предельный перегрев жидкости в режиме пузырькового кипения.

Измеряемая в опытах: температура поверхности нагрева при пузырьковом режиме кипения есть осредненная по поверхности и времени характеристика процесса. Значения температуры жидкости у стенки между пузырями могут существенно превышать осредненные значения. С увеличением теплового потока перегрев пристенной жидкости увеличивается, пока не достигнет пороговых значений, определяемых формулой (ГО). При достижения этого значения перегрева вследствие образования фронтов вскипания жидкость вскипит с последующим формированием, в зависимости от условий, устойчивых или неустойчивых паровых пленок. Образование неустойчивых паровых пленок имеет .место в предкризисном режиш кипения, что свидетельствует о достижении пороговых значений перегревов в локальных объемах жидкости. Таким образом, в режиме пузырькового кипения перегрев жидкости не монет превышать значений, определяемых зависимостью (10), а при кризисе теплообмена мажет быть рассчитан по этой зависимости.'

В предкризисном режиме кипения на теплоотдакхцей поверхности наряду с пузырями образуются паровые конгломераты, неустойчивые паровые пленю'». Теплосъем чрезвычайно неравномерен во времени и вдоль поверхности. Если бы измерения проводились непосредственно в месте возникновения кризиса теплообмена и во времена, непосредственно предшествующие ему, то значения локальных параметров, по всей видимости, существенно отличались от интегральных значений (осредненнык по времени и по всей поверхности нагрева), которые обычно измеряют в опытах исследователи. При существующей методике измерений аддитивный подход к описанию критического теплового потока представляется неизбежным .

Широкое признание и хорошее опытное подтверждение для неметаллических жидкосте-: подучила гидродинамическая теория кризисов теплообмена, созданная С.С.Хутателадзе. Согласно этой теории возникновение кризиса теплообмена обусловлено нарушением гидродинамической устойчивости двухфазного пристенного слоя при достижении критической скорости парообразования. Конкретный вид гидродинамической неустойчивости з этих работах не

рассматривался. В итоге Кутатеяадзе получил следующую формулу для критического теплового потока:

Если жидкость недогрета до температура насыщения,

В кипящих металлах имеет место существенный отвод тепла через жидкость даже при тепловых потоках,близких к условиям развитого гидродинамического кризиса. Для вывода составляющей критического теплового потока, отводимой через жидкость, можно воспользоваться зависимостью Лабунцова Д.А. (1963 г.) для теплового потока, передаваемого теплопроводностью через заторможенный слой к основной массе жидкости в режиме пузырькового кипения металлов: ^

Подставив в (13) вместо йТ выражение (10), получим в итоге расчетную зависимость для критической плотности теплового потока при устойчивом кипении щелочных металлов в условиях насыще-

кия- , ,,/,,

?кр=0,МЬр (<5$ьр) + 170(Аср) б Т" .(14)

На рис.4 кривая I рассчитана по этой формуле. Учет неподобия распространения теплового и механического импульсов в пристенной жидкости позволил получить следунцую зависимость:

) в \р V (уар) , которая с точностью ± 20 % описывает данные по при устой-

чивом кипении металлов и неметаллических жидкостей (рис.5 ).

Если жидкость недогрета, тогда -¿¡к), а полное выражение для критического теплового потока имеет вид: о бЪб -3/8 ,9116. т , ч , ,

^ф/ЮАТ) 6 > V7(Н«Тн/*Т).™

На рис.6 приведено сопоставление опытных данных ФЭИ для металлов {ДТН =0*180 К) и Гогонина И.К. для вода, бензола и этанола ( л Тн =0*80 К).

5. Перегревы при первом и втором кризисах теплообмена

Переходный режим кипения к настоящему времени остается все еще наименее изученным в сравнении с пузырьковым и пленочным. Остается не выясненным вопрос, касающийся механизма образования неустойчивых паровых пленок в этом режиме кипения.

Перегревы теплоотдащей поверхности и плотности тепловых потоков, при которых возникают третий кризис теплообмена и кризисы теплообмена при неустойчивом кипении, соответствуют области переходного кипения. Поэтому изложенные выше исследования механизма парообразования на поверхностях,обедненных готовыми центрами парообразования, можно рассматривать как моделирование процессов парообразования в переходном режиме кипения. Фактически кипение, предшествующее кризису теплообмена при неустойчивом кипении, есть переходное кипение. Отличие третьего кризиса теплообмена от переходного режима кипения заключается в том, что в первом случае образованию паровой пленки предшествует однофазная конвекция, тогда как во втором - образс§ание паровых пленок происходит в присутствии на нагревателе пузырей. В этом случае паровые пленки неустойчивы, так как присутствие пузырей уменьшает размеры областей, где перегрев достигает пороговых значений и, следовательно", ограничивает область распространения фронтов вскипания.

Основываясь на утверждении о единстве механнзмоз образования паровых пленок в переходном режиме кипения и при третьем кризисе теплообмена, в качестве условия образования паровой пленют в переходном режиме записывается аналогичное (?) соотношение : £

V. (17)

Левая часть этого выражения означает работу образования П критических зародышей в объеме V перегретой жидкости, правая часть - удельную кинетическую энергию пульсационного .движения жидкости в этом объеме. По Сю (1962 г.), б - средняя

толщина теплового слоя. По Лабунцову Д.А. (1963 г. &/ъи Для металлов, для обычных жидкостей. Под-

становкой этих соотношений в (17), получаются следующие условия для образования паровых пленок в режиме переходного кипения,

аналогичные третьему кризису теплообмена:

т 5(8 111/2 ,,//г7г/, .1/4 1/8 7 ,то.

аТ~6 Т (п/У) /[(I Срр) у? ] (18)

для жидкостей с Рг<1 и

л 5ШГ% ,14(а/У)1/8/ГА. 1,8) (19)

для жидкостей оРг>1.

Поскольку кризисы теплообмена являются граничными значениями переходного режима кипения, то представлялось' естественным предположение, что подобный механизм образования паровых пленок имеет место и в непосредственной близости первого и второго кризисов теплообмена (подход к кризисам со стороны кривой переходного кипения).

Вблизи первого кризиса теплообмена доля теплоотдащей поверхности, занятой неустойчивыми паровыми пленками, мала. Теп-лосъем осуществлялся, в основном, пузырьковым кипением. Поэтому плотность зародышей парообразования при первом кризисе теплообмена может быть определена из условия, что- в объеме мета-стабильной жидкости, образующей пузырь, возникает один критический зародыш; 3/2 . „

л/У-^лр/б) >р/1р. (20)

Подстановкой (20) в (18), получается выражение для критического перегрева в виде:

^«'"г*^'4 (я <21>

Формула (21) описывает опытные данные различных авторов для щелочных металлов, воды, криогенных и органических жидкостей во во всем исследованном диапазоне давлений с точностью + 40 %. Такой разброс связан с большим влиянием на л Ткр1 в сравнении с С£кр1 таких неучтенных моделью факторов, как шероховатость и материал нагревателя.

Вблизи второго кризиса теплообмена теплоотдащая поверхность, в основном, покрыта неустойчивыми паровыми пленками. Определив плотность зародышей парообразования из условия слияния паровых объемов (9), получим следующее выражение для перег-грева при втором кризисе теплообмена:

лг-т^г'**»»-*/«^) »*. • (а

которое с точностью + 30 % описывает данные для различных жидкостей.

Для оценки плотности зародышей парообразования можно использовать прочностные характеристики жидкости - минимальный размер паровой полости, способный к существованию:

' п/У-{б/[кПа (NкТ/(h /))]} 3,2 (23)

Тогда выражение для перегревов при первом и втором кризисах теплообмена имеет следующий вид: ^jte

* V*% %/[кТШкТ/Щ))1}/л/г/в). ™

Согласие расчета по (24) с опытными данными имеет место для &Тко1 при const =0,5, для &Ткр2 при const =1,5. Значения комплекса в (24) для разных жидкостей примерно

одинаково, поэтому при расчетах можно пользоваться более простой зависимостью

m ,Я//6 5//5 /г 3/16 3/8 2 l/t 1/4 , /25)

*TKP1,zCOnstd 7 ft* J> Л °Р >

С целью выявления механизма, обуславливающего возникновение второго кризиса теплообмена,были проведены опыты по исследованию существования паровой пленки при условиях, близких к предельным - гравитационная устойчивость, отсутствие пульсаций, связанных с эвакуацией пара, и шероховатости поверхности. Показано, что в этих условиях паровая прослойка может, существовать при температуре нагревателя низке температуры насыщения, то есть второй кризис теплообмена вырождается. Это дает основания для утверждения, что разрушение паровой ллерки и смачивание поверхности жидкостью при втором кризисе теплообмена происходит в результате гидродинамической неустойчивости и влияния шероховатости теплоотдаицей поверхности.

С точки зрения проведенных исследований динамики парообразования проведен анализ пузырькового режима кипения. Показано, что в первом приближении мсано считать, что влияние шероховатости поверхности (по крайней мере технической) на теплосъем при пузырьковом кипении различных жидкостей при разных давлениях проявляется одинаковым образом, а вся информация о зависимости режима пузырькового кипения от давления заключена в критических условиях теплообмена.

6. Кипение водных: растворов полиэтиленоксида

Интерес к исследованию кипения водных растворов полимеров возник в связи с необходимостью обеспечения оптимальных скоростей охлаждения изделий при закалке. Количество работ было невелико. В основном исследования проводились при атмосферном давлении в узком диапазоне тепловых потоков. Не было данных по критическим тепловым потокам в водных растворах полимеров, по влиянию недогрева жидкости.

Исследования кипения водных растворов полиэтиленоксида (ПЭО) проводились при квазистационарном тепловыделении на рабочем участке ^ 2,5 мм и при закалке медного стержня, покрытого никелем, / 6 мм, длиной 75 мм в диапазоне параметров Р =3,5* 100 кПа, л 7Ц =0-80 К, С =0+2 %.

Получены данные по перегревам перед вскипанием, теплоотдаче при кипении, кризисам теплообмена. Показано, что при кипении водных растворов ПЭО в области субатмосферных давлений практически отсутствует характерный для воды участок независимости перегрева от плотности теплового потока и гистерезис, связанный с различием теплоотдачи при увеличении и понижении тепловой нагрузки.

Установлено, что незначительные добавки полиэтиленоксида к воде интенсифицируют теплообмен в пузырьковом режиме кипения. Наибольшее увеличение теплоотдачи в опытах, проведенных при температуре насыщения, получено при концентрации 0,04 5?.

Критические плотности теплового потока в растворах ПЭО меньше соответствующих значений для воды. Показано, что могут иметь место два вида кризисов теплообмена после режима развитого пузырькового кипения: обычный кризис, связанный с потерей гидродинамической устойчивости и последующим формированием паровой пленки и "медленный" кризис, характеризуемый самопроизвольным медленным ростом температуры стенки из-за образования на поверхности нагрева полимерной пленки. При этом образования паровой пленки не происходило. При температуре насыщения гидродинамический кризис наблюдался в растворах ПЭО небольших концентраций. Для растворов с ¿7=0,32 и 0,64 % гидродинамический кризис шел место только при давлениях меньших 5 Ю4 Па. . При более высоких давлениях для растворов с этими концентрациями

и во всей .диапазоне исследованных давлений для растворов с большей концентрацией ПЭО наблюдался "медленный" кризис. При недогревах выше 50 К в растворе с концентрацией 0,08 % и в растворах больших концентраций во всем исследованном диапазоне недогревов наблюдался "медленный" кризис. Увеличение концентрации растворов приводит к уменьшению влияния давления и недогре-ва на критические тепловые потоки.

Данные при закалке получены при медленном погружении рабочего участка в жидкость ( ~0,1 м/с). При быстром погружении образца ( ~ 2 м/с) характер кривой кипения при дТ> 70 К качественно отличен от кривой кипения при медленном погружении: не наблюдалось пленочное кипение, в диапазоне перегревов 70*350 К плотность теплового потока оставалась примерно постоянной на уровне первой критической плотности теплового потока. Если при медленном' погружении рабочего участка кипение было относительно спокойным, то при быстром погружении оно носило взрыво-образннй характер с характерным звуком и выбросами жидкости из рабочего объема.

Для выяснения причин влияния скорости погружения рабочего участка на кривые кипения проведены экспериментальные исследования механизма формирования паровой пленки при погружении нагретого тела в жидкость. Медный стержень медленно опускался плоским торцом в кювету с жидкостью. Установка была смонтирована на оптическом микроскопе, что позволяло проводить визуальные наблюдения и измерения толщины паровой прослойки. Исследования показали, что при медленном погружении рабочего участка установление режима пленочного кипения происходит без предварительного смачивания поверхности жидкостью. При быстром погружении острые кромки рабочего участка и микровыступы охлаждаются до температуры ниже предельной, в этих местах происходит смачивание, жидкость перегревается и происходит взрывное вскипание. Тем самым обеспечивается высокая скорость теплосъема с рабочего участка.

7. Кризисы теплообмена I рода

Кроме вывода о существовании предела для перегрева жидкости. в режиме пузырькового кипения из результатов исследований структуры парообразования, призеденных в разделе I, сделан еще

один вывод, важный для понимания механизма возникновения кризисов теплообмена при кнпеник.

Гидродинамическая неустойчивость, обуславливающая возникновение кризисов теплообмена при кипеиш в условиях естественной конвекции или вынужденного течения, есть барокалиллярная. .неустойчивость (по терминологии Павлова П.А. (1977 г.)). Реактивные силы, возникающие из-за потока массы пара с межфазной поверхности, преодолевают поверхностные силы и вытесняют жидкость из пристенной зоны.

Таким образом, условие возникновения кризиса теплообмена есть превышение реактивной силы над поверхностному ^''■^/л'. Выразив поток массы пара через критическую плотность теплового потока jn■Cf. /¿, и взяв в качестве масштаба радиуса кривизны межфазной поверхности капиллярную постоянную ~г ~ [6/(дАр)]'^получим формулу Кутателадзе С.С. (II). В условиях естественной конвекции и пузырькового режима течения .двухфазного потока при кризисе теплообмена реактивными силами вытесняется жидкость у основания паровых каналов в пленке жидкости под паровыми конгломератами, при дисперсно-кольцевом режиме течения в толстой пленке жидкости - у основания пузырей, в тонкой пленке - во впадине между гребнями волн.

Настоящий вывод обосновывает использование результатов исследований кризисов теплообмена в большом объеме .для описа-~-нйя критических тепловых потоков при вынужденном течении недо-гретых и насыщенных жидкостей. Механизм возникновения кризиса теплообмена для обоих случаев един. Отличие лишь в том, что при вынужденном течении более существенен отвод тепла через жидкость от теплоотдащей поверхности в ядро потока.

Печеркин Н.И. и Чехович В.Ю. (1985 г.) показали, что теплоотдача к газожидкостному потоку в широком диапазоне изменения газосодержания мажет быть рассчитана по уравнениям для однофазного турбулентного потока, если в них подставлять соответствующие значения коэффициента трения для двухфазного потока. Следовательно, составляющую критической плотности теплового потока, учитывающую отвод тепла через жидкость при недогретом и насыщенном ядре потока,можно рассчитать, используя выражение для теплосъема турбулентным однофазным потоком в гладкой труйе, но подставив в него значение коэффициента трения с учетом влияния

"пузыоьковой шероховатости".

™ %07 + /2,/8)°,5(Pr2/3-f) Петухов B.C.

_ £

М = (Zdq R +1,74) Никурадзе (26)

R- d/CEK,), К^ =0,8 Т)тах

Sföt/j0^0' /ио ' Авдеев A.A. (1982 г.)

где 170 - скорость циркуляции, Ср - среднеинтегральная теплоемкость жидкости, d - внутренний диаметр трубы, ß =5 мкм -характерный шаг микронеровностей поверхности трубы, ^ - температура жидкости у теплоотдающей поверхности, - температура ядра потока.

Итоговое выражение для критической плотности теплового потока при вынужденном течении недогретых и насыщенных жидкостей

имеет следующий вид: 0

Чхрн W + ,2,7(£l8)0>5(Pr2l3-l) • (27)

где ty°KpH рассчитывается по (12), дТ# по (10), % - по (26), к =7,5 М°м'5 , Н^={дгб/&^>)лз^(р'/Р)'{Ыалеькоъ И. Г., 1968г.). Формула (27) с точностью + 25 % описывает рекомендованные значения (ИВТ АН СССР) для Р =3*20 МПа, лТ^ =0+75 К, jQVq =500+5000 кг/(м^ с). Данные различных авторов для органических и криогенных жидкостей согласуются с (27) с точностью + 40 %.

На примере гелия-I показано, что информация, полученная из опытов по кризису теплообмена в большом объеме, может быть использована для описания ^^ при вынужденном течении. Данные по в большом объеме для гелия лучше согласуются с расчета/ли по (II), если для к использовать формулу Мойсиса, Беренсона (1963 г.). Кириченко Ю.А. и др. (1981 г.) показали, что зависимость критического потока от недогрева для гелия-1 в условиях естественной конвекции более сильная в сравнении с другими жидкостями. Для этих же условий Вишневым И.П. (1973г.) исследовано влияние ориентации рабочего участка на ' ty кр • С учетом результатов этих работ выражение для критической плот-

ности теплового потока при вынужденном течении гедия-I имеет вид: г . -.0,5 o,5r и , -7°>5г

(}xp=Ot18[(f90-4>)/rJ L/ (6qùp)' [(p+f )/f] [Г-

Формула (28) записана в виде, удобном для расчетов в области положительных: паросодержаний. Здесь недогрев выражен через сс по лТн = '-х1(Ср. Второй член в (28) характеризует влияние массовой скорости. Он обращается в нуль при 3~-UHg ^-эо^СрйТ^/¿,тке з-инб ~ точка инверсии, при которой зависимость q кр отJ3U0 меняется на обратную. Формула (28) с точностью + 25 % описывает данные для гелия-I различных авторов при -0,42<o:UHg, d =0,47+2,13 мм, Р/РКр =0,34*0,8S,f>VQ =10,5+500 кгДм2 с).

В настоящей модели нет ограничений для применения ее к описанию кризисов теплообмена в каналах более сложной геометрии.

Основные выводы к диссертации

1. Экспериментально установлена неизвестная ранее закономерность изменения структуры парообразования в метастабильной жидкости. Показано, что в области высоких перегревов теплоот-дающей поверхности относительно температуры насыщения распад метастабильной жидкости в пристенном слое происходит в виде бегущего вдоль нагревателя фронта вскипания. Фронты вскипания формируются. на поверхности начального пузыря вблизи нагревателя. Постоянство скорости распространения фронта вскипания обеспечивается реактивными силами, возникающими на фронте при интенсивном испарении. Необходимость преодоления поверхностных сил обуславливает пороговый характер явления распространения самоподдерживающегося фронта вскипания в перегретой жидкости.

2. Из условий сохранения потоков массы, импульса и энергии через фронт вскипания получена расчетная зависимость для скорости распространения фронта вскипания. Достоверность модели подтверждена сравнением с экспериментом.

3. Экспериментально обнаружена новая разновидность кризиса теплообмена (третий кризис теплообмена) .для металлических в неметаллических жидкостей в условиях естественной конвекции,

когда переход от однофазной конвекции к пленочному режиму кипения обусловлен распространением фронтов вскипания. Определены области для значений параметров, при которых возникает третий кризис теплообмена.

4. Показано, что при переходном режиме кипения, первом, втором, третьем кризисах теплообмена, кризисах при неустойчивом кипении, кризисах теплообмена I рода механизм возникновения паровых пленок един. Разработана кавитационная модель формирования паровых пленок, на основании которой получены расчетные зависимости для критических температурных напоров.-

5. Показано, что гидродинамическая неустойчивость, обуславливающая возникновения кризисов теплообмена при кипении в условиях естественной конвекции или вынужденного течения есть барокалиллярная неустойчивость. Реактивные силы, возникающие из-за потока массы пара с межфазной поверхности, преодолевают капиллярные силы и вытесняют жидкость из пристенной зоны. На основании гипотезы о существовании предела для перегрева жидкости в режиме пузырькового кипения в рамках гидродинамической теории кризисов теплообмена получена единая расчетная зависимость для критических плотностей теплового потока в условиях большого объема и вынужденного течения недогретых и насыщенных жидкостей.

Основное содержание .диссертации опубликовано в работах:

1. Bobrovich G.I., Avksentyuk В.Р., ilamoritova li.N. On the mechanism of boiling of liquid metals. Proc. Semi-Intern. Symp. Heat Transfer, Tokyo, sept. 4-8, JSUE, 1967, p. 171178.

2. Москвичева В.H., Бобрович Г.И., Авксентюк Б.П., Мамонтова H.H. Исследование процесса кипения щелочных металлов, Новосибирск, 1968. - 14 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики).

3. Авксентюк Б.П., Бобрович Г.И., Кутателадзе С.С., Москвичева В. H . О вырождении режима пузырькового кипения в условиях свободной конвекции. Зурн, прикл. механики и техн. физики, 1972, Я Г, С. 69-73.

4. Авксентюк Б.П. Критические тепловые потоки при неустойчивом кипении в условиях свободной конвекции. Вопросы гидродкна-

31

мики и теплообмена: Сб. науч. тр. Новосибирск, 1972, с. 177-187.

5. Ku.tatelad.ze S.S., Koskvicheva V.II., JJobrovich G.I. , Mamon-tova N.li., Avksentjuk B.I. Some peculiarities of heat transfer crisis in alkali metals boiling under free convection. Intern. J. Heat Mass Transfer, 1973, vol. 16, p. 705-713.

6. Avksentyuk E.P., Mamontova U.K. Characteristics of heat transfer crisis during boiling of alkali metals and. organic fluids under free convection conditions at reduced pressure. Progress in Heat and Uass Transfer, iergamon Press, 1973, vol. 7, p. 355-362.

7. Авксентюк Б.П., Кутателадзе С.С. Неустойчивость режима теплообмена на поверхностях, обедненных центрами парообразования. Теплофизика высоких температур, 1977, т. 15, № I,

с. II5-120.

6. Авксентюк Б.П. О перегревах жидкости перед вскипанием в условиях естественной конвекции. Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Двухфазные потоки. Сб. науч. тр. Новосибирск, 1978, с. 52-60.

9. Kutateladze S.S., Avksentyuk В.Р. Heat transfer crisis in liquid helium. Cryogenics, 1979, vol. 19, N 5, p. 285-288.

10. Авксентюк Б.П. Перегрев поверхности теплообмена при первом кризисе кипения в условиях свободной конвекции. Инж.-физ. журн., 1979, т. 37, )е 2, с. 204-209.

11. Авксентюк Б.П. Переходный режим кипения. Пристенные течения со свободными поверхностями. Сб. науч. тр. Новосибирск,

1980, с. 66-77.

12. Авксентюк Б.П., Малых Н.В. Некоторые вопросы кипения жидкостей. Тепломассообмен-У1: Материалы 6-й Всесоюзной конф. по тепломассообмену. Минск, 1980, т. 4, часть I, с. 109-11$.

13. Авксентюк Б.П. 0 пузырьковом режиме кипения. Иня.-фяз. журн.

1981, т. 40, й 3, с. 391-401.

14. Авксентюк Б.П., Месаркишвилк З.С. Кипение водных растворов полиэтиленоксида при пониженных давлениях в условиях естественной конвекции. Новосибирск, 1983. - 16 с. (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики: Je 108-83).

15. Авксентюк Б.П., Месаркишвилк З.С. Теплоотдача и критические тепловые потоки при кипении водных растворов полиэтиленокси-

да при пониженных, давлениях в условиях естественной конвекции. Инж.-физ. журн., 1984, т. 47, ft I, с. 24-28.

16. Авксентюк Б.П., Бочкарев A.A. Взаимодействие нагретого тела со свободной поверхностью жидкости. Журнал техн. физики. 1985, т. 55, в. 4, с. 797-798.

17. Авксентюк Б.П., Бухаткина Н.В., Коптюг В.А., Месаркишви-ли З.С., Михайлова И.Ф. Теплообмен при закалке металлического образца в водных растворах полиэтиленоксида. Теплофизика и гидродинамика в процессах кипения и конденсации. Сб. науч. тр. Новосибирск, 1985, с. 59-76.

18. Авксентюк Б.П. Некоторые вопросы кризисов теплообмена при кипении в условиях естественной конвекции. Теплофизика и гидродинамика в процессах кипения и конденсации. Сб. науч. тр. Новосибирск, 1985, с. 148-159.

19. Авксентюк Б.П., Бочкарев A.A. Влияние теплообмена на смачивание нагретых тел. Язв. СО АН СССР. Сер. техн. наук, 1985, вып. 3, й 16, с. 28-33.

20. Авксентюк Б.П., Бочкарев A.A. О коалесценции капель жидкости в неизотермических-условиях. Изв. СО АН СССР, Сер. техн. наук, 1986, вып. 3, Ja 16, с. 38-44.

21. Авксентюк Б.П., Месаркишвили З.С. Влияние не.догрева на критические тепловые потоки при кипении жидкостей в области субатмосферных давлений. Кипение и конденсация (гидродинамика и теплообмен). Сб. науч. тр. Новосибирск, 1986,

с. 45-51.

22. Авксентюк Б.П. Критические тепловые потоки при кипении недо-гретых до температуры насыщения жидкостей в условиях вынужденного течения. Кипение и конденсация (гидродинамика и теплообмен). Сб. науч. тр. Новосибирск, 1986, с. 52-59.

23. Авксентюк Б.П. Критические тепловые потоки при вынужденном течении недогретых и насыщенных жидкостей. Теплоэнергетика, "1988, № 12, с. 43-46.

24. Авксентюк Б.П. Кризис теплоотдачи первого рода при кипении гелия I. Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук, 1988, И 18, вып. 5, с. 31-36.

25. Авксентюк Б.П. Продельный перегрев жидкости в режиме пузырькового кипения и кризисы теплообмена. Теплообмен в парогенераторах: Материалы Зсесоюз. кона)., июнь 1988 г. -Новосибирск, 1988, с. 82-90.

26. Авксентюк Б.П., Овчинников Б.В., Плотников В.Я. Динамика вскипания жидкости в области высоких перегревов. Теплообмен в парогенераторах: Материалы Всесоюз. конф., ишь 1988 г. - Новосибирск, 1988, с. 304-308.

27. Авксентюк Б.П., Овчинников В.В., Плотников В.Я. Динамика распада метастабильной пристенной жидкости в области высоких перегревов. Тепломассообмен - МШ. Избр. докл. секц. 4, 5 Минского Международного форума, май 1988 г. - Минск, 1989, с. 3-13.

28. Авксентюк Б.П., Овчинников В.В., Плотников В.Я. Самоподдерживающийся фронт вскипания. Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук, 1989, » 2, с. 17-23.

29. Авксентюк Б.П., Овчинников В.В., Плотников В.Я. Самоподдерживающийся фронт вскипания и третий кризис кипения. Нестационарные процессы в двухфазных потоках. Сб. науч. тр. -Новосибирск, 1989, с. 52-68.

Рис.6 Сравнение данных по он с

10

расчетом по (16). в дТ7 = 0 т- 180К.

■кр.н

И

Калий (данные ФЭИ): I - Р=4 кПа, 2 -7 кПа, 3 - 10 к11а,

4 - 20 кПа, ^

5 - 40 кПа, данные Гогонина:

н

2

о - 1 А. -2 в -3

Д -4©

р _ н п 7 -С^О /Оа

+ — 6 X — 7 * -8

4• 6 & Ю

,5

2 4- в а ю'

,7