WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рисунок 5 – Сравнение экспериментальной зависимости q() с расчетными зависимостями: 1 – расчётная зависимость для кипения насыщенной воды; 2 – формула Клименко; 3, 4 – формулы В.В. Ягова для переходного и пузырькового кипения соответственно.

Типичные термограммы процесса охлаждения шара в воде с температурой 50°С представлены на рисунке 6. В целом для режимов охлаждения в воде с Tsub > 30K характерен чрезвычайно высокий темп охлаждения поверхности. В отдельных опытах скорость падения температуры составляла до 1700К/с. При этом для шара диаметром 45мм обнаружена явная неоднородность условий охлаждения по поверхности. Наиболее интенсивно охлаждается нижняя часть шара.

В шаре возникает значительный вертикальный градиент температуры, одномерное приближение теряет основания. В настоящее время метод решения двумерной ОЗТ в условиях очень высокой нестационарности нами не разработан. Для грубой оценки производилось осреднение показаний термопар по поверхности, и рассчитывался средний КТО. Из этих оценок ясно, что плотности тепловых потоков достигают в режиме интенсивного охлаждения десятка МВт/м. Стоит заметить, что близкие уровни теплового потока до сих пор фиксировались лишь при струйном охлаждении, а не при кипении в объёме жидкости.

Результаты расчёта условий на поверхности шара диаметром 45 мм при охлаждении в воде с различными недогревами представлены на рис. 7

Рисунок 6 – Термограмма охлаждения шара 45 мм в воде с температурой 50°С;

Рисунок 7 – Зависимости q() для охлаждения в воде с различными недогревами: 1 – насыщенная ; 2 – Tsub = 20K; 3 – Tsub = 30K;
4 – Tsub = 50K; 5 – Tsub = 70K;

Представляется важным исследовать закономерности процесса быстрого охлаждения на жидкостях, отличающихся от воды по теплофизическим свойствам. В настоящей работе проведены эксперименты по охлаждению шара в изопропиловом спирте с температурой -14С, -7С, -3С, 5С и 40С. Оказалось неожиданным, что процесс охлаждения в этой жидкости даже при очень высоких недогревах (до 96К) качественно идёт так же, как в воде при температуре насыщения или очень малых недогревах. Если полагать, что условия охлаждения при пленочном кипении недогретой жидкости зависят от числа Якоба Jasub, то при указанном недогреве это параметр для изопропанола составляет примерно 160; для воды такому значению Jasub отвечает недогрев 53К. Характерные термограммы охлаждения шара диаметром 45мм в изопропаноле с температурой -14С представлены на рис. 8. Устойчивый режим пленочного кипения занимает более 60с, участка с интенсивным охлаждением, характерным для экспериментов с недогретой водой, не наблюдается.

Этот экспериментальный факт увеличивает число вопросов относительно механизмов процесса быстрого охлаждения нагретого до высокой температуры тела в недогретой воде. Предстоит не только построить физическую модель, объясняющую, каким образом при отсутствии прямого контакта жидкости со стенкой от нее удается отводить тепловые потоки порядка 10 МВт/м2, но и понять, какие свойства различных жидкостей определяют совершенно различную интенсивность процесса в аналогичных условиях.

Рисунок 8 – Термограммы охлаждения шара 45 в изопропиловом спирте с температурой -14С

В пятой главе предлагается приближенная модель теплообмена в условиях устойчивого плёночного кипения недогретой жидкости.

Эксперименты, в первую очередь, с изопропанолом дают основания считать, что в устойчивых режимах охлаждения шара в недогретой жидкости в паровой пленке течение остается ламинарным вдоль всей поверхности.

Количественная модель процесса разрабатывается для простейшей геометрии – для пленочного кипения на изотермической вертикальной плоскости. В сравнении с моделью Бромли, который фактически применил к пленочному кипению анализ Нуссельта для конденсации пара, вводится лишь одно принципиальное изменение. На поверхности паровой пленки учитывается наличие теплового потока теплопроводностью в недогретую жидкость, а скорость на межфазной границе принимается конечной.

Таким образом, решается гидродинамическая задача для течения пара в пленке, причем конвективный перенос импульса принимается несущественным. Учитывая, что при y жидкость неподвижна, а давление поперек потока однородно, уравнение сохранения импульса для пара может быть записано в виде:

, (1)

При записи (1) принималось, что вязкость пара постоянна.

Уравнение (1) легко решается при граничных условиях:

y=0, u=0;

y=, u= ui,

Вводя массовый расход пара на единицу ширины пленки и используя обычное условие баланса массы на границе паровой пленки, получаем дифференциальное уравнение относительно толщины пленки. Для определения плотности потока массы пара используем универсальное условие для потока энергии на границы пленки:

, (2)

Тепловой поток к жидкости, учет которого наряду с введением конечной скорости на поверхности пленки отражает специфику кипения в недогретой жидкости, можно выразить как

, (3)

Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой пленки к жидкости ж не должен сильно отличаться от КТО при свободной конвекции от вертикальной плоскости с температурой TS к жидкости с температурой Tж.

Таким образом, можно получить дифференциальное уравнение:

(4)

Чтобы получить приближенное решение (4) в квадратурах, можно пренебречь вторым слагаемым в круглых скобках в сравнении с первым, что оправдано из-за малости толщины паровой пленки и всегда выполняющегося сильного неравенства T >> Tsub.

В результате формула для определения коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид:

(5)

Численные коэффициенты подобраны по результатам сравнения с данными, полученными из экспериментов (см. рис. 9). Число Прандтля Prж введено, чтобы отразить влияние индивидуальных свойств охлаждающей жидкости, которое исчезает из-за упрощения, примененного при анализе уравнения (4).

Рисунок 9 – Сравнение расчёта по формуле (5) с экспериментальными данными

В шестой главе предлагается приближенная модель кризиса кипения недогретой жидкости на горизонтальных цилиндрических нагревателях в условиях свободного и вынужденного течения.

В случаях, когда поверхность нагрева погружена в жидкость, сильно недогретую до температуры насыщения, возможен следующий режим кипения (см. рис. 10): на стенке существует тонкая жидкая «макроплёнка», далее расположен слой пара, в некоторых местах прерываемый подходящей к стенке жидкостью, которая подпитывает интенсивно испаряющуюся «макроплёнку».

Рисунок 10 – Предполагаемая структура двухфазного слоя при кипении недогретой жидкости на поверхности горизонтального цилиндрического нагревателя.

Тепловой поток, отбираемый от поверхности нагревателя при испарении жидкости, передается к недогретой жидкости при конденсации пара на внешней границе парового конгломерата (бланкета). Тепловой поток от этой границы к недогретой жидкости при малой толщине парового бланкета мало отличается от теплового потока на поверхности нагревателя. Уровень критических тепловых потоков в рассматриваемых условиях может быть обеспечен лишь механизмом нестационарной теплопроводности при условии, что жидкость на границе бланкета периодически обновляется.

Реалистичные масштабы времени периодического процесса обновления жидкости на межфазной поверхности дает предположение о том, что этот процесс определяется течением пара в бланкете. Поскольку кривизна границы парового слоя в азимутальном направлении изменяется незначительно, то разность давлений в нижней и верхней точках этого слоя равна gD. Полагая ничтожным влияние вязкости, получаем отсюда оценку для характерной скорости пара:

. (6)

В рассматриваемом предельном случае больших недогревов жидкости пар, перетекающий из нижней точки бланкета в верхнюю, не покидает бланкет (как это представлено на рис. 10), а лишь вызывает деформацию межфазной поверхности (локальное утолщение бланкета), увеличивая скорость конденсации. Характерное время рассматриваемого периодического процесса, определяемого скоростью пара и размером нагревателя (половиной его периметра), находится как

. (7)

Дальнейший анализ представляется достаточно строгим и простым. Плотность теплового потока к недогретой жидкости при заданном скачкообразном изменении температуры поверхности для цилиндра радиуса R0 определяется соотношением:

.

Число Фурье для типичных случаев кипения на горизонтальных цилиндрах оказывается менее 0.01, что позволяет ограничиться лишь первым членом в квадратной скобке. Это означает, что выражение для теплового потока на поверхности цилиндра совпадает с хорошо известным соотношением для случая охлаждения полуограниченного массива с плоской поверхностью:

. (8)

Для среднего за время t0 теплового потока получаем:

. (9)

Пока тепловой поток на поверхности нагревателя меньше потока, отводимого к недогретой жидкости, жидкая макропленка сохраняется на стенке, поддерживается режим пузырькового кипения. В противном случае в недогретую жидкость отводится меньше тепла, чем выделяется на поверхности нагрева, толщина парового бланкета увеличивается, уменьшается подпитка макропленки жидкостью. В итоге жидкая пленка на стенке истощается, происходит кризис кипения. Таким образом, соотношение (9) выражает предельную величину КТП для столь высоких недогревов жидкости, когда через поверхность парового бланкета отсутствует макроскопический поток пара.

Очевидно, кризис кипения насыщенной жидкости может рассматриваться как другой асимптотический предел в общем случае кипения недогретой жидкости при произвольном значении недогрева. Модель, впервые представленная В.В. Яговым, связывает кризис кипения насыщенной жидкости в большом объеме с необратимым ростом площади сухих пятен на обогреваемой стенке. Уравнение, полученное в рамках этой модели, определяет КТП для насыщенной жидкости, который при произвольном значении недогрева рассматривается как один из асимптотических пределов общей интерполяционной зависимости. Эта зависимость

(10)

построена так, чтобы при больших значениях недогрева отразить преобладание механизма отвода тепла, связанного с нестационарным прогревом массива холодной жидкости. Хотя предел, определяемый формулой (9), требует выполнения условия и строго не достигается, но практически вклад первого слагаемого (10) в общий КТП бывает ничтожным при достигаемых в опытах больших недогревах жидкости. Предельный случай для кипения насыщенной жидкости удовлетворяется зависимостью (10) строго.

Результаты сравнения расчёта КТП по предложенной модели с экспериментальными данными, обнаруженными в литературе, представлены на рис. 11 – 12

Рисунок 11 – Зависимость КТП от величины недогрева для воды при различных давлениях

Рисунок 12 – Сравнение расчётной зависимости с экспериментальными данными Гогонина И.И. при кипения этанола для различных диаметров

В опытах Линарда и Элькассабжи были получены неожиданные результаты, когда при определенных значениях недогрева жидкости достигалось предельное значение КТП, не растущее с дальнейшим ростом недогрева. Для описания этих данных удалось обосновать введение поправки, учитывающей влияние вязкости жидкости. Скорректированное выражение для КТП приобретает вид:

, (11)

Как видно из рис. 14, кривая, рассчитанная по уравнению (11), хорошо воспроизводит опытную зависимость КТП для изопропанола во всем исследованном диапазоне значений недогрева.

Рисунок 14 – Характерная зависимость КТП от недогрева для объёмного кипения изопропанола при диаметре нагревателя 1.042 мм. Точки – экспериментальные данные работы Линарда и Элькассабжи, линия расчёт по формулам (10, 11).

Кроме того, в данной главе реализована попытка распространить модель кризиса кипения насыщенной жидкости на случай вынужденного обтекания горизонтального цилиндрического нагревателя. В итоге получено соотношение с точностью до коэффициента:

. (12)

Значения критической плотности теплового потока, рассчитанные по формуле (12) для различных значений скорости были сопоставлены с экспериментальными данными из работы Влита и Лепперта. Результаты этого сопоставления представлены на рис. 16.

Значения критической плотности теплового потока, рассчитанные по формуле (12) для различных значений скорости были сопоставлены с экспериментальными данными из работы Влита и Лепперта. Для расчета КТП при кипении на поверхности нагревателя, обтекаемого потоком недогретой жидкости, в формуле (10) составляющая рассчитывается по формуле (12). С помощью такого подхода удалось достаточно хорошо описать доступные экспериментальные данные

заключение

  1. Создана экспериментальная установка, разработана и реализована методика исследования режимов теплообмена при охлаждении сферических образцов с начальной температурой, много выше критической для охлаждающих жидкостей.
  2. Получены экспериментальные данные о закономерностях пленочного и переходного кипения при охлаждении никелевых шаров диаметром 30 и 45 мм в воде и изопропаноле с различной температурой.
  3. Экспериментальные данные о пленочном кипении насыщенной жидкости находятся в согласии с известными представлениями об этом процессе и подтверждают надежность измерений и интерпретации их результатов. При охлаждении шара в воде с недогревом более 30К наблюдаются режимы плёночного кипения с чрезвычайно высокой интенсивностью; плотности тепловых потоков в таких режимах превосходят 10 МВт/м2.
  4. Путем измерения температуры в нескольких точках охлаждаемого образца впервые показано, что интенсивное охлаждение поверхности шара в режиме пленочного кипения воды при высоких недогревах отличается существенной неоднородностью, наличием значительных градиентов температуры в образце.
  5. При пленочном кипении изопропанола режим интенсивного охлаждения не наблюдался даже при весьма значительных недогревах, что ставит дополнительные вопросы в отношении механизмов интенсивного теплообмена при пленочном кипении недогретой воды.
  6. Построена приближенная модель устойчивого плёночного кипения недогретой жидкости в большом объёме; полученное на ее основе расчетное уравнение хорошо согласуется с результатами измерений.
  7. Разработана физическая модель кризиса пузырькового кипения на горизонтальных цилиндрических нагревателях в предельном случае высоких недогревов жидкости до насыщения. Для случая произвольных недогревов предложено интерполяционное уравнение, хорошо согласующееся с доступными опытными данными.

Публикации по работе

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»