Інтенсифікація при кипінні

Все покрытия получены спеканием сферических  частиц диаметром 60—100 мкм. Линия на рис. 4.46 описывается уравнением

^{т = σδ}ππ^/λ эф^{+ b} (4.2.13)

где b = 4; а = -16,3-10³Вт/(м²*K).

Теплоотдача при кипении на поверхности с пористым покрытием в условиях свободной и вынужденной конвекции описывается уравнением

На рис. 4.47 опытные данные сопоставлены с результатами расчета теплоотдачи по уравнению (4.2.14) при кипении воды в условиях свободной и вынужденной конвенции на поверхностях со спеченными покрытиями.

Повышение теплоотдачи для поверхности с пористым покрытием более значительно, если использовать спеченные покрытия с меньшим термическим сопротивлением. Из-за соображений коррозионной стойкости иногда на практике приходится выбирать покрытие с большим термическим сопротивлением. В результате в меньшей мере проявляется эффект увеличения плотности активных центров парообразования и повышение теплоотдачи менее существенно.

Рис. 4.47. Сопоставление опытных и расчетных данных по теплоотдаче: 1 — без покрытия; 2 — со стальным покрытием толщиной 0,22 мм; 3 — со стальным покрытием толщиной 0,15 мм; 4-е медным покрытием толщиной 0,4 мм

Пористое покрытие оказывает влияние на структуру потока, механизм и развитие кризиса теплообмена и может приводить как к повышению, так и снижению q_кр [4.2.20 — 4.2.23].

Снижение q_кр при нанесении пористого покрытия возможно в том случае, если данные располагаются правее точки инверсии зависимости q_кр от pW. Когда влияние рW на q положительное, пористое покрытие приводит к росту q_кр [4.2.21, 4.2.23].

Смена механизма кризиса теплообмена происходит не внезапно. Область инверсии может занимать некоторый диапазон паро- содержаний, и влияние пористого покрытия в ней будет весьма сложным.

Влияние луночного рельэфа на теплообмен при кипении на сфере

В работе [4.2.47] исследовано  влияние луночного рельефа на теплообмен при кипении на сфере. Исследования теплообмена при пузырьковом, переходном и пленочном режимах кипения проводилось нестационарным методом путем погружения нагретой выше температуры Лейденфроста медной сферы с луночным рельефом в жидкость при атмосферном давлении. Для измерения температуры поверхности сфер использовалась хромель-алюмелиевая термопара,  которая с помощью теплостойкого клея ВС-10Т заделывалась в глухое отверстие диаметром 1 мм и глубиной 19 мм. Кроме того, проводились измерения температуры рабочей жидкости и нагревательного устройства. Сигналы термопар подавались на АЦП, подключенный к персональному компьютеру с установленной специальной. Сферы с помощью тонкостенного трубчатого зонда поднимались в зону нагрева, где выдерживались при заданной температуре, а затем погружались в жидкость при синхронном включении системы сбора и обработки данных. Опыты проводились на экспериментальной установке, снабженной смотровыми окнами для проведения визуальных наблюдений и видеофотосъемки. В качестве исследуемой жидкости использовался фреон-113.

Для сравнения данных, полученных при кипении на сфере с луночным рельефом, проводились также опыты CO сферическими медными образцами с пористым покрытием толщиной 0,4 мм, размером частиц 0,063 мм и пористостью около 50% и без покрытия.

Для нахождения кривых кипения при охлаждении сферы использовалась методика, основанная на регистрации изменения температуры от времени и его преобразовании в зависимость плотности теплового потока q от температурного напора ΔT. Мгновенное значение плотности теплового потока q на поверхности сферы рассчитывалось из уравнения теплового баланса. Методика исследования и описание экспериментальной установки изложены в работе [4.2.48].

Луночный рельеф на поверхность сферы наносился с помощью специального устройства путем выдавливания лунок пуансоном, на конце которого заделывался шарик диаметром 5 мм. Способ нанесения лунок позволял изменять расположение лунок и их размеры. В качестве исходной конфигурации на поверхность сферы были нанесены 31 лунка глубиной h = 0,41 мм и диаметром d — 2,5 мм (h/d = 0,164), расстояние между лунками по долготе сферы равно 5,2 мм (рис. 4.68).

Результаты исследования и их анализ

Опыты по теплообмену при кипении фреона-113 на поверхностях с луночным рельефом проводились в широком диапазоне температурных напоров от 0 до 250 К, охватывающих все режимы кипения, при температуре насыщения и в условиях недогрева жидкости. На рис. 4.69 приведены видеокадры различных режимов кипения насыщенного фреона-113 на сфере с луночным рельефом. Вблизи границы прекращения пленочного кипения на нижней части облуненной сферы в отличие от гладкой сферы наблюдалось увеличение амплитуды колебаний толщины паровой пленки. Снизу и сбоку от сферы просматривались вторичные конвективные потоки жидкости вблизи границы раздела фаз. В переходной области кипения на облуненной сфере можно было наблюдать образования паровых струй и вихрей. В области пузырькового режима кипения при малых плотностях теплового потока наблюдалось образование пузырьков пара, выходящих из лунок.

Рис. 4.70. Изменение температуры во времени при охлаждении сферы во фреоне- 113. T_s = 321 К

На рис. 4.70 [4.2.47] представлены типичные кривые изменения температур гладкой сферы и сферы с лунками во времени при их охлаждении в кипящем фреоне. Видно, что в области высоких и низких перегревов, соответствующих пленочному и пузырьковому кипению, кривые совпадают между собой. В области резкого изменения температуры, соответствующего прекращению пленочного и пузырькового кипения, наблюдается расхождение температурных кривых, причем изменение температуры сферы с лунками свидетельствует о более интенсивном отводе тепла по сравнению с гладкой сферой.

Представленные на рис. 4.71 [4.2.47, 2.4.28] кривые кипения фреона-113 на гладкой сфере и сфере с луночным рельефом демонстрируют влияние луночного рельефа на прекращение пленочного кипения и теплоотдачу в переходном режиме. Так, температурный напор ΔTкр2, соответствующий прекращению пленочного кипения для сферы с лунками, увеличился до 105К по сравнению с его значением, равным для гладкой сферы 95К.

С увеличением недогрева жидкости толщина пленки пара уменьшается, что приводит к увеличению значений ΔТκρ2 и q кр2. На рис. 4.72 приведены зависимости критической плотности теплового потока qкр2 от недогрева жидкости ΔТнед для сфер с различной обработкой поверхности. Сравнение данных, представленных на рисунке для

 

Рис. 4.74. Влияние недогрева жидкости на прекращение пузырькового кипения фреона-113 для сфер с различным рельефом и состоянием поверхности

 

сферы без покрытия и с медным пористым покрытием, показывает, что для заданной геометрии луночного рельефа величина q_кр2 больше, чем для гладкой сферы, и меньше, чем для сферы с медным пористым покрытием.

Из рис. 4.73 видно, что нанесение луночного рельефа приводит к повышению коэффициента теплоотдачи при пленочном режиме до 75% вследствие турбулизации паровой пленки и возмущений границы раздела пар—жидкость. Для выбранной геометрии луночного рельефа его влияние на теплоотдачу в пленочном режиме кипения проявляется в меньшей степени, чем в случае пористого покрытия, что можно объяснить малой и неравномерной плотностью лунок (~12%) по поверхности сферы. Кроме того, исследованы мелкие лунки {h/d = 0,164 мм), для которых эффект интенсификации теплообмена менее значителен, чем для глубоких лунок.

На рис. 4.74 представлены данные о влиянии недогрева жидкости на первую критическую плотность теплового потока q_кр1 для различных рельефов и состояния поверхности нагрева. Для всех поверхностей с увеличением недогрева жидкости значения q_кр1 возрастают. Более сильное влияние на q_кр1 оказывает нанесение на сферу пористого покрытия, в котором имеется большое количество центров парообразования. Для сферы с луночным рельефом и гладкой сферы данные практически совпадают. Это объясняется тем, что нанесение небольшого числа мелких лунок на поверхность сферы практически не влияет на количество активных центров парообразования и, соответственно, интенсивность теплообмена вблизи кризиса кипения.

 КОЛЕБАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ

Согласно модели работы [4.3.1] при пленочном кипении на горизонтальном цилиндре толщина паровой пленки принимается постоянной во времени. В работах [4.3.2, 4.3.4] исследованы колебания поверхности раздела фаз при пленочном кипении в большом объеме, показавшие, что толщина паровой пленки переменная во времени.

В работе [4.3.5] колебания толщины паровой пленки учтены при моделировании пленочного кипения. Согласно модели предполагается, 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.

На рис. 4.78 представлен фазовый портрет, полученный для фрагмента колебаний толщины паровой пленки в трехмерной проекции фазового пространства. Как видно, фазовая траектория системы принадлежит некоторой замкнутой области, при этом в процессе эволюции фазовая точка через некоторый промежуток времени проходит вблизи наиболее вероятного состояния, отмеченного на рисунке точкой.

Таким образом, наиболее вероятным состоянием системы является точка ее неустойчивого равновесия. Возмущения, возникающие в результате отрыва паровых пузырей в окрестности верхней образующей цилиндра, приводят к тому, что система теряет устойчивость, но при этом релак- сирует в равновесное состояние через некоторое время, т.е. энергия возмущений диссипирует в системе, в результате чего они затухают. Такой процесс воспроизводится в виде сложных колебаний и отвечает режиму детерминированного хаоса. Строго утверждать о возникновении детерминированного хаоса при колебании толщины паровой пленки можно, если окажутся положительными старшие показатели Ляпунова, рассчитанные согласно работе [4.3.6].

 

5. Пузырьковое кипение. Колебания парового пузыря при его росте на стенке

 

Впервые колебания паровых пузырей при их росте на стенке зафиксированы в работе [4.3.7] (рис. 4.79). С помощью спектрального анализа сигналов оптического и акустического датчиков исследована взаимосвязь колебаний границы раздела фаз и давления в жидкости. Установлено, что происходят изменения как формы, так и объема парового пузыря. При анализе сигнала оптического датчика построена функция коэффициента корреляции и рассчитаны временные мак- ро- и микромасштабы Тейлора (рис. 4.80). Найдены аппроксимации размеров парового пузыря во время его роста (корреляционная размерность) в виде N(r) - r_f^v , Здесь N — число точек, а r_f— расстояние между ними в фазовом пространстве; v — корреляционная размерность. Используя значение временной задержки τ, равной среднему арифметическому между временными масштабами Тейлора, построен фазовый портрет по экспериментальным данным (рис. 4.81) (временная задержка τ = 5,7 мс, корреляционная размерность ν = 0,49). Для анализа колебаний парового пузыря при его росте на стенке использована методика, основанная на расчете коэффициентов Ляпунова [4.3,8, 4.3.9]. Максимальный показатель Ляпунова находится как

где L(t_i) — расстояние между двумя точками на фазовом портрете в

i-й момент времени; N — число измерений; т — значение временной задержки.

Для данной временной задержки найден показатель Ляпунова λ₁ = 0,0515. Положительное значение показателя Ляпунова свидетельствует о хаотических колебаниях границы раздела фаз.

В работах [4.3.10—4.3.12] предложена модель, описывающая колебания парового пузыря при его росте на стенке. Система модельных уравнений, описанная в этих работах, включает в себя уравнение баланса массы в паровом пузыре (4.3.2), уравнение движения (4.3.3) и уравнение эволюции толщины теплового слоя жидкости, окружающего пузырь, во времени (4.3.4):

Получено численное решение системы уравнений, описывающей колебания парового пузыря при его росте на стенке, которые при определенных условиях становятся хаотическими. Об этом свидетельствуют показатели Ляпунова, два из которых положительные (рис. 4.82). Получено согласование расчетных и экспериментальних характеристик колебаний границы раздела фаз (рис. 4.81 и 4.83).

Представлены результаты исследования колебаний границы раздела фаз при пленочном и пузырьковом кипении. Эксперименты проведены при кипении воды и фреона-113 в большом объеме при атмосферном давлении. С помощью лазерной диагностики зафиксированы колебания толщины паровой пленки и парового пузыря метущего на стенке.

Статистические характеристики колебаний парового пузыря анализируются с помощью фазовых портретов.

 

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

Р — давление, Па;

Т — температура, К;

q — тепловой поток, Вт/м²;

h — толщина пристенного перегретого слоя жидкости, м;

δ — толщина теплового пограничного слоя, м;

R — радиус парового пузыря, м;

λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м²-К):

* — плотность, кг/м³;

М — масса, кг;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Список литературы
1. Кутателадзе С.С. Теплоотдача при конденсации и кипении. М., 1949.

1-3.2.   Bromley L.A. Heat transfer in stablefilm boiling//Chem. Eng. Proqr. 1950 V. 46, p. 221.

-3-3.   Ковалев C.A., Жуков В.M., Кузма-Кичта Ю.А. Методика исследова

ния колебаний границы раздела фаз при плёночном кипении жидкости с помощью оптического квантового генератора//ИФЖ. 1973. Т. 25. №. 1.