Критический тепловой поток и первый кризис при кипении на неизотермической оребренной поверхности

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 536.2

КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК И ПЕРВЫЙ КРИЗИС ПРИ КИПЕНИИ НА НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОРЕБРЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

А. В. ОВСЯННИК

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,

Республика Беларусь

Проблема интенсификации теплоотдачи при кипении в различных теплообменных аппаратах испарительного типа продолжает оставаться актуальной и в настоящее время. Это связано со снижением металлоемкости и повышением надежности поверхностей нагрева, термостатированием различных элементов энерготехнологических установок, воспринимающих большие тепловые потоки, охлаждением элементов микроэлектронной техники и т. д. Все это требует разработки новых и совершенствования существующих методов интенсификации теплообмена, обеспечивающих как высокие коэффициенты теплоотдачи, так и отвод тепловых потоков большой мощности. Однако последнее обстоятельство приводит к тому, что большие тепловые потоки могут привести к наступлению кризиса кипения, «запариванию» поверхности, снижению отводимых тепловых потоков, снижению интенсивности теплоотдачи и перегреву теплоотдающей поверхности. Для исключения этих факторов применяют различные методы, позволяющие затягивать наступление кризиса кипения, и одним из этих методов является оребрение поверхности высокими ребрами.

При кипении жидкостей на неизотермических оребренных поверхностях вследствие падения температуры от основания к вершине ребра местные температурные напоры по высоте ребра могут соответствовать различным режимам кипения, поэтому на поверхности ребра могут существовать развитый пузырьковый и переходный режимы кипения. В сочетании с эффектом развития поверхности теплообмена через основание ребра могут быть переданы тепловые потоки плотностью в несколько раз превышающие первую критическую при умеренных температурных напорах. В связи с этим применение оребренных поверхностей для отвода тепловых потоков высокой плотности в кипящую жидкость представляет значительный интерес. Таким образом, при кипении на ребрах кризис теплоотдачи наступает при гораздо более высоких значениях тепловых потоков, т. е. плотность критического теплового потока дкр возрастает [5], [6].

Определение ^кр, как правило, проводится экспериментально, что часто связано

с большими трудностями, а аналитические зависимости, полученные на основе моделирования, относятся к ребрам либо простейшей формы (прямоугольным), либо очень громоздки [4], что не позволяет их применять в инженерных расчетах.

В [5] на основе модельных представлений теплообмена при развитом пузырьковом кипении была получена зависимость, позволяющая определять интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении:

4ф

(',,2

а =

* /2

л

у р паж За с. 2пг

или

2ф

а*= /2

/ 2 2 3 Л

1 у р а с '

< К ж ж ж

па 0

пгг*р

П2.

п У

Кризис кипения наступает при условии q = q тах = ^кр и ^кр = 0. Таким образом,

П 2ф q = а*-П = —— па 0

^у2р2а с3 ^

I г' Ж ж ж

пгг*р

П3

п У

и для критической плотности теплового потока можно записать (при подходе к qm слева на рис. 1) [5]:

П 2ф

qKр = а* • Пкр =—¡2

/ 2 2 3 Л

' У Рж аж сж ' пгг*2Рп

Пкр.

Рис. 1. Кривая кипения

При пленочном кипении при определенных условиях (значительных температурных напорах) тепловой поток может сравняться с первым критическим тепловым потоком, и тогда на основании этого при подходе к qmax справа для вертикальной стенки или горизонтальной трубы в условиях свободной конвекции и ламинарного движения паровой пленки плотность теплового потока при пленочном режиме qпл запишется [8]:

і пл 1 кр

^пРп ГР ж ё

или

Чпл = Чкр = 4

С

л 3 3

3 ^ПрпГ*Ржё о 4 Л кр

Д п ё

где С =

о.

о

кр

2ф

^у2р2а с ^

I г' Ж ж ж

Приравняв правые части уравнений (3) и (4), получим:

: 4 4

пё „

пгг„ р п

О3 =4 кр *

С

33

^пРпГР жёо 4

ж4 '^кр •

После преобразований уравнение (5) примет вид:

9 ( 3

С 4 4

О4 = кр

V

^3пРпГРж ё

ДпЛ

{ п2а2гг„2Рп л

,2фу 2ржажсж J

Выражение (6) можно записать в виде:

О =

10,3Ь0,^ У),Ь0,3^ .0,5

3С ^п ё (пЛ 0) ё Грп

10-7 0,1 0,45 0,9 0,78 0,45 1,33 •

Ъ^Дп^ У Рж аж сж

Из уравнений (3) и (7) можно получить зависимости для определения коэффициента теплоотдачи при первом кризисе кипения а кр и критической плотности теплового потока дкр :

2ф

а кр = _ Л2

пё 0

^у 2р2 ас3 ^

! гж ж ж

^ ^Рп J

о2 •

^кр •

Чкр акр ' Окр

2ф

пё „

^у 2р2 ас3 ^

< ж ж ж

пгг„2р п

или

акр = АК и Чкр = А°3кр,

кр кр

кр

где А =

2ф

пё0

Ґ 2 2 3 Л

' У Ржажсж ^ пгг^Рп

Проведя подстановки и преобразования, получим:

акр =

,___ 0,2л 0,66 0,2 0,44 0,1 0,34

3С ФУ , ё Рж аж сж •

0,875(пё0)0,2 дпДё034 ’

= _ 0,61ф

..0,7р0,34 а0,35с°,"м 0,3 5 \АА/

» гж ж ж М'п

где а0 - отрывной диаметр парового пузыря; X п, р п , мп - теплопроводность, плотность и динамическая вязкость пара соответственно при температуре пара;

р ж, аж, сж - плотность, температуропроводность и теплоемкость жидкости соответственно при температуре насыщения; г* - удельная теплота парообразования; ё -характерный линейный размер теплоотдающей поверхности; ф - паросодержание у теплоотдающей поверхности; у - коэффициент, зависящий от краевого угла смачивания; 8 - ускорение свободного падения.

По формуле (8) было рассчитано значение коэффициента С при кипении воды при давлении 0,1 МПа. Величина перегрева поверхности при критическом режиме при этом давлении составляет 25-30 К [7]. Теплофизические свойства пара и жидкости, геометрические характеристики поверхности и внутренние характеристики процесса кипения при этом составляют: ё0 = 15 -10-4 м; ё = 0,035 м;

г*= 2257-103 Дж/кг; рп = 0,5896 кг/м3; ф = 0,5; у = 0,07; мп = 12,28-10-6 Па• с; рж = 958,6 кг/м3; сж = 4216 Дж/кг• К; аж = 1,69-10-7 м2/с.

Расчеты показывают, что при этих условиях значение коэффициента

С = 5,30 -102, коэффициент теплоотдачи при первом кризисе кипения

акр = 36,9 кВт/м2 • К; критическая плотность теплового потока qкр = 1015 кВт/м2.

Преимуществом формулы (11) является то, что критическая плотность теплового потока может быть определена прямым расчетным путем по теплофизическим свойствам пара и жидкости, геометрическим характеристикам поверхности и внутренним характеристикам процесса кипения без проведения экспериментов, в то время как существующие теоретические зависимости [7] требуют знания некоторых параметров, получение которых крайне затруднительно или требует дополнительных исследований. Например, температура предельного перегрева жидкости в зависимости, представленной в [7], требует знания температуры стенки, что не всегда возможно.

Анализ формулы (11) показывает, что критическая плотность теплового потока является величиной, зависящей от многих факторов, основными из которых являются объемная теплота парообразования (г*р п) и теплопроводность пара (X п). Чем больше объемная теплота парообразования, тем выше плотность теплового потока при одинаковых объемах получаемого пара. Поэтому чем больше г*рп, тем при прочих равных условиях выше qкр. Коэффициент теплопроводности Xп оказывает

влияние на тепловую проводимость пленки пара, образующейся у теплоотдающей поверхности, и с увеличением X п увеличивается количество теплоты, переносимой паровой фазой, следовательно, увеличивается и qкр.

Заключение

Получены расчетные соотношения, позволяющие определять критические параметры (коэффициент теплоотдачи, плотность теплового потока и температурный напор) при первом кризисе кипения для различных жидкостей.

Литература

1. Ягов, В. В. Исследование кипения жидкостей в области низких давлений : автореф. дис. ... канд. тех. наук : 01.04.14 / В. В. Ягов ; Моск. энергет. ин-т. - Москва, 1971. - 34 с.

2. Ягов, В. В. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкостей / В. В. Ягов // Теплоэнергетика. - 1988. - № 2. - С. 4-9.

3. Ягов, В. В. Научное наследие Д. А. Лабунцова и современные представления о пузырьковом кипении / В. В. Ягов // Теплоэнергетика. - 1995. - № 3. - С. 2-10.

4. Ковалев, С. А. Расчетно-теоретическое исследование устойчивости пузырькового кипения и пульсаций температуры стенки, обогреваемой горячей жидкостью / С. А. Ковалев, С. В. Усатиков // ИФЖ. - 1988. - Т. 55, № 5. - С. 803-810.

5. Овсянник, А. В. Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей на неизотермической поверхности / А. В. Овсянник // Холодил. техника и технология. - 2004. - № 4 (90). - С. 40-44.

6. Овсянник, А. В. Теплообмен при кипении на развитых поверхностях / А. В. Овсянник. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2004. - 371 с.

7. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. -4-е изд. - Москва : Энергоиздат, 1981. - 416 с.

8. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. - Москва : Атомиздат, 1979. - 415 с.

Получено 20.04.2010 г.