Інтенсифікація при кипінні

В 1982 г. на Международной конференции  по теплообмену был представлен  доклад Тода и Мори [1.3.5], исследовавших колебания толщины паровой пленки при пленочном кипении воды на сфере и проволоке. Тода и Мори воспроизвели разработанную методику лазерного зондирования [1.3.4] и подтвердили полученные закономерности колебаний толщины паровой пленки при пленочном кипении.

В работе [1.3.6] впервые при квазистационарном  пленочном кипении получены взаимные спектры колебаний толщины паровой пленки и давления. Обнаружено, что наибольшая корреляция наблюдается в диапазоне 0,5—2 кГц. С ростом недогрева жидкости пик на взаимном спектре смещается в сторону низких частот.

В работе [1.3.7] колебания толщины  паровой пленки учтены при моделировании  пленочного кипения. Согласно модели, предполагалось, что толщина паровой пленки меняется во времени по синусоидальному закону, и рассчитаны локальная плотность теплового потока, средняя толщина паровой пленки, а также амплитуда колебаний границы раздела фаз.

Пузырьковое кипение. Колебания парового пузыря

В кипении фундаментальным вопросом является взаимосвязь между теплопередачей и образованием пузырей. В работе [ 1 .3.8] для исследования колебаний парового пузыря, растущего на стенке, усовершенствована методика [1.3.3]. Пучок излучения вырезается диафрагмой, имеющей характерный размер, превышающий диаметр парового пузыря (рис. 1.91).

Возникновение пузырей влияет на теплообмен при кипении через образование  и испарение в основании пузыря микро- и макрослоя, испарение и конденсацию на поверхности пузыря и теплообмен, вызванный конвекцией, возникающей вблизи нагреваемой поверхности. Поэтому закономерен

интерес к изучению динамики паровых пузырей при кипении. Данные по динамике парового пузыря, растущего на стенке, представлены в работе [1.3.8] (рис. 1.92).

М. Шоджи и др. [1.3.9] изучали движение жидкости, вызванное растущим паровым пузырем, используя анемометр с горячей проволокой, расположенной вблизи поверхности нагрева. Рабочим участком являлся нагреватель в виде диска диаметром 2 мм. Эксперименты проводились при кипении воды в состоянии насыщения при атмосферном давлении. По данным измерений вычислялись спектр Фурье и показатель Ляпунова. Как выяснилось, показатель Ляпунова всегда получался положительным. Этот результат совместно с широкополосными энергетическими спектрами показывал, что образование парового пузыря является хаотическим процессом.

В работе [1.3.10] был использован комбинированный  оптико-акустический метод исследования динамики паровых пузырей при кипении жидкого гелия. Были получены фотографии растущего парового пузыря на поверхности нагревателя (рис. 1.93) и зарегистрированы колебания давления в жидкости с большой амплитудой, вызванные его ростом и схлопыванием. Давление в опытах соответствовало температуре насыщения 1,9 К для гелия-2.

Также построены аттракторы (рис. 1.94) по измеренным флуктуациям давления в жидкости и вычислены значения показателей Ляпунова [1.3.10]. Максимальный и средний показатели оказались положительными величинами, что свидетельствует о хаотической природе колебаний давления в жидкости, вызванных ростом и осцилляциями единичного парового пузыря.

Колебания давления наблюдаются в  широкой полосе частот (от 2 до 300 Гц) со степенным законом спада интенсивности  по спектру. Указано, что колебания  растущих и охлопывающихся паровых пузырей сопровождаются значительными механическими вибрациями и слышимым шумом. Причины подобных колебаний, однако, в работе не указаны.

Рис. 1.93. Рост (а) и схлопывание (б) парового пузыря гелия-2

 

Рис. 1.94. Аттрактор, построенный по экспериментальным данным для флуктуаций давления и его проекции на плоскости фазового пространства

 

При исследовании кипения воды с  недогревом при давлении насыщения 40 кПa комбинированным методом [1.3.11] с помощью гидрофонов были получены данные по колебаниям давления, вызванным ростом единичного парового пузыря, при недогревах от 5 до 20К, Одновременно использовалась скоростная киносъемка для измерения радиуса единичного парового пузыря в зависимости от времени. Эти данные приведены на рис. 1.95. Частоты колебаний, приведенные в работе [1.3.11], согласуются с данными работы [1.3.8].

В работе [1.3.12] был использован теневой  фотографический метод для исследования кипения метанола при атмосферном давлении с недогревом. Показано, что при недогревах жидкости около 20К на поверхности парового пузыря в определенный момент его роста наблюдается выброс тепла в виде струи в окружающую жидкость, а граница раздела фаз испытывает колебания.

Связь процессов, происходящих на поверхности кипения, междy собой, а также их связь с динамикой паровых пузырей была исследована с помощью

методов нелинейного и хаотического анализа. Характеристики паровых пузырей, растущие на искусственной впадине, регистрировались высокоскоростной видеокамерой, а с помощью термопар было проведено измерение флуктуаций средней температуры центра парообразования. Результаты представлены в виде аттракторов для измеренных флуктуаций температуры (рис. 1.96) [1.3.12], q = 26 кВт/м², временная задержка 0,023 с.

Рис. 1.96. Трехмерные аттракторы для флуктуаций температуры центра

парообразования

Изображение а на рисунке иллюстрирует отношение расстояния между двумя соседними искусственными центрами парообразования к отрывному диаметру парового пузыря, равному 0,3; б, в, г - соответственно, 0,75, 1,2 и 1,75. Таким образом, процессы теплопередачи, происходящие в поверхности кипения, а также гидродинамическое и тепловое взаимодействие между пузырями и поверхностью и между самими пузырями нельзя рассматривать в отрыве друг от друга. Связь микропроцессов в кипении является нелинейной, и в столь сложной системе с многочисленными внутренними связями с большой степенью вероятности можно ожидать наступление хаоса [1.3.13, 1.3.14].

 

 КОЛЕБАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ  РАЗДЕЛА ФАЗ

 

Колебания границы раздела фаз  при кипении интенсифицируют  перенос теплоты. Методика для исследования колебаний границы раздела фаз  при кипении разработана в [3.28-3.32]. Она основана на зондировании пучком маломощного излучения пристенного слоя жидкости над поверхностью, на которой происходит кипение (рис. 3.36). Источником излучения служит гелий- неоновый лазер (1). В качестве поверхности нагрева выбрана трубка (3) диаметром 3 мм, расположенная горизонтально и выполненная из нержавеющей стали. Пучок излучения проходит через коллиматор и диафрагму (2) с характерным размером D и попадает на фотодатчик (4). Сигналы фотодатчика (4) и пьезоэлектрического датчика (6) регистрируются с помощью цифрового запоминающего осциллографа (5) (рис. 3.37,3.38) и свидетельствуют о колебаниях парового пузыря, растущего на стенке.

Для анализа спектральных характеристик колебаний границы раздела фаз при пузырьковом кипении применен анализатор фирмы «Брюлль и Къерр». С его помощью получены спектры сигналов оптического и акустического датчиков (рис. 3.39, а, б). Выделенные частоты на спектрах соотносятся как целые числа, что свидетельствует о взаимосвязи колебаний парового пузыря и давления в жидкости. Таким образом было установлено, что при росте парового пузыря на стенке в объеме жидкости происходит одновременно как изменение его формы, так и объема.

В работах [3.32,3.33] предложена модель кинетики роста парового пузыря и получены аттракторы описывающей его системы  уравнений. На рис. 3.40 представлен фазовый портрет колебаний парового пузыря при его росте на стенке при атмосферном давлении, недогре- ве воды 5К, тепловой нагрузке 40 кВт/м2 .

 

Фазовый портрет (рис. 3.40, а) показан  в относительных координатах: первая производная радиуса пузыря во времени — радиус пузыря. В фазовом портрете обнаруживаются колебания небольших пузырей (высокая частота и большая амплитуда) и больших (небольшие частота и амплитуда).

 

3. Влияние пористых покрытий на теплоотдачу при кипении

 

Влияние пористого покрытия на теплоотдачу при кипении воды в прямоугольном канале при низких массовых скоростях и давлениях исследовано в Техническом университете Берлина в рамках совместной работы ТУБ-МЭИ [4.2.22]. На рис. 4.41 представлены кривые кипения для каналов с технически гладкой поверхностью и никелевым пористым покрытием толщиной 0,15 мм, пористостью 60%, диаметром частиц 40 мкм при течении воды с недогревом ЗК, массовой скоростью 28 кг/(м²-с) и давлении 0,11 МПа.

Как установлено, положительный эффект применения пористого покрытия обнаружен во всех режимах кипения: пористое покрытие приводит к снижению ΔТ_Н.К, повышению теплоотдачи при кипении, росту критической тепловой нагрузки в 1,7 раза и коэффициента теплоотдачи при переходном режиме кипения до 2,4 раза.

Влияние покрытий на теплообмен при пленочном кипении

 

Рассмотрим влияние пористого покрытия из Al2O3 , нанесенного газопламенным напылением на горизонтальном медном диске, на теплоотдачу при кипении фреона-113 в большом объеме при атмосферном давлении [4.2.13—4.2.15]. На рис. 4.42 показаны зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора для поверхностей без покрытия и с пористыми покрытиями. Как установлено, с ростом толщины покрытия коэффициент теплоотдачи растет и его превышение по сравнению с поверхностью без покрытия достигает двух фаз.

Отмеченные эффекты интенсификации теплообмена при пленочном кипении зависят от теплофизических свойств, толщины, шероховатости поверхности покрытия. Покрытие может иметь большую по сравнению с поверхностью без покрытия шероховатость. Рост шероховатости поверхности покрытия дестабилизирует паровую пленку, повышает коэффициент теплоотдачи и вызывает более раннее прекращение пленочного кипения.

С целью выяснения механизма влияния покрытия на теплоотдачу при пленочном кипении в работах [4.2.16—4.2.19] исследованы колебания границы раздела фаз на горизонтальном цилиндре с помощью оптического квантового генератора.

Установлено, что малотеплопроводное покрытие приводит к ослаб-лению крупномасштабных колебаний границы раздела фаз (рис. 4.43) и уменьшению средней толщины паровой пленки (рис. 4.44).

Это обусловлено следующим. При колебании толщины паровой пленки происходят изменения во времени температуры поверхности нагрева. В случае поверхности нагрева с высоким коэффициентом теплопроводности температура поверхности примерно постоянная.

Если на поверхность нагрева нанесено малотеплопроводное покрытие, температура стенки не успевает восстановиться за период колебаний толщины паровой пленки, в результате чего жидкость подходит ближе к поверхности и коэффициент теплоотдачи повышается.

4. Влияние пористого покрытия на теплогидравлические характеристики при кипении в трубе

На поверхности с пористым покрытием имеются готовые центры парообразования в диапазоне размеров Dmin < Dц.п < Dmax, где Dmax, Dmin - максимальный и минимальный диаметры пор покрытия создаются более благоприятные условия для зародышеобразования, чем на технически гладкой поверхности, что приводит к низким перегревам стенки, соответствующим началу кипения.

Паровой зародыш начинает расти, когда локальный перегрев жидкости в наиболее удаленной от поверхности нагрева точке пузыря равен необходимому ΔT в соответствии с уравнением

Тепловая нагрузка, при которой начинается кипение,

где эффективная теплопроводность определяется по формуле

 

где λ — коэффициент теплопроводности каркаса; ε — пористость; ε', ε" - объемная доля пара и жидкости в покрытии; λ’, λ" - коэффициенты теплопроводности воды и пара при температуре насыщения

В первом приближении температурный напор начала кипения ΔТнк можно определить из соотношения (4.2.6), приняв критический диаметр равным максимальному размеру поры.

Из сравнения с опытными данными определены значения показателя n и вид функции f(Rе)

Как установлено, значение ΔT_НК, растет со скоростью потока, с тепловой нагрузкой и уменьшением давления и λ_эф.

На рис. 4.45 представлены кривые кипения для поверхности с пористым покрытием (линия 1) и без покрытия (линия 2) при давлении 4 МПа и различных массовых скоростях пароводяного потока [pW=200—600кг/(м²с)] при фиксированном паросодержании. Пористое покрытие улучшает теплоотдачу (сдвигает кривую кипения влево). Скорость потока в рассмотренных условиях не оказывает заметного влияния на теплоотдачу при кипении, так как α_кип » α_кон.

Расчет теплоотдачи в докризисной области канала со спеченным пористым покрытием проводится по интерполяционной формуле

Конвективную составляющую (αкон)пп рассчитываем по уравнению Яглома и Кадера для труб с искусственной однородной шероховатостью, элементы которой имеют различную форму и расположены настолько близко друг к другу, что течение между ними полностью определяется их размерами и формой. Эта формула справедлива для режима с полным проявлением шероховатости. При этом значение ξ не зависит от числа Re и, например, для канала с пористым покрытием толщиной 0,22 мм составляет 0,07. Уравнение обосновано экспериментально при K/R0 = 0,005-0,18 в диапазоне чисел Pr = 0,7-9 (К — высота шероховатости, R0 — радиус трубы).

При кипении на поверхности с  пористым покрытием увеличивается плотность центров парообразования, которая определяется следующей величиной:

т — коэффициент, который определяется углом наклона кривой кипения.

Уравнение для коэффициента теплоотдачи имеет следующий вид:

 

где К — коэффициент, учитывающий влияние давления, равный К = 0,203+1,8Р/Р_кр; Р_кр - критическое давление. Максимальный диаметр поры D_max равен приближенно диаметру частицы. На основе опытных данных получена зависимость для коэффициента т.

На рис. 4.46 нанесены точки, определяемые тангенсом угла наклона кривых кипения, полученных для различных сочетаний стенка — пористое покрытие: покрытие из меди толщиной 0,4 мм (1), нержавеющей стали толщиной 0,15 мм (2), 0,22 мм (3) и 0,5 мм (4).