Глава 22. КРИТИЧЕСКИЕ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЖИМА КИПЕНИЯ
22.1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА КРИЗИСОВ В МЕХАНИЗМЕ КИПЕНИЯ ЖИДКОСТИ
В предыдущей главе было выяснено, что существуют два основных режима кипения: пузырьковое, при котором пар выделяется в некоторых мест поверхности нагрева в виде отдельных пузырей, и пленочное, когда поверхность нагрева отделена от массы жидкости сплошным слоем пара. Переход от одного режима кипения к другому имеет все черты кризисного явления и сопровождается коренным изменением гидродинамической и тепловой обстановки процесса охлаждения поверхности нагрева.
Рассматриваемая проблема осложняется тем, что в механизме кипения имеют место не один, а два кризиса: первый, при котором происходит возникновение сплошной пленки пара на поверхности нагрева, и второй, при котором происходит разрушение паровой пленки и восстановление пузырькового режима кипения. При этом плотности теплового потока при первом кризисе существенно больше, чем при втором.
Если при значениях q, меньших 
, коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении существенно возрастает с увеличением плотности теплового потока, то в околокритической области значение а остается почти постоянным.
Рис. 22.1. Характер зависимости а от q для кипящей воды при растянутом околокритическом режиме для разных серий опытов
Это явление можно объяснить следующим образом. При околокритическом режиме насыщенность паром двухфазного граничного слоя у поверхности нагрева столь велика, что дальнейшее увеличение паропроизводительности, с одной стороны, вызывает повышение турбулентности в жидкой фазе, а с другой, способствует вытеснению последней из граничной области. В некотором интервале значений q эти два противоположных процесса в какой-то мере компенсируют друг друга, в результате чего коэффициент теплоотдачи остается более или менее постоянным. Но, в конце концов, устойчивость жидких пленок, пронизывающих двухфазный слой, окончательно нарушается, и жидкая фаза отделяется от поверхности нагрева сплошным слоем пара. Таким образом, возникновение пленочного режима кипения является результатом нарушения устойчивости той структуры граничного двухфазного слоя, которая имела место при предшествующем этой перестройке пузырьковом режиме кипения.
Точно так же двухфазный граничный слой, представляющий собой паровую пленку на поверхности и обтекающую ее массу жидкости, может устойчиво существовать только до тех пор, пока кинетическая энергия текущего в этой пленке пара достаточна для поддержания во взвешенном состоянии масс жидкости, стремящихся под действием силы тяжести прорваться сквозь паровой слой к поверхности нагрева.
Поскольку возникновение и разрушение пленочного кипения представляют собой действительно особый гидродинамический кризис, они характеризуются не точными значениями критического теплового потока (или, что то же самое, критической скоростью парообразования), а некоторыми наиболее вероятными его значениями. Так, автору удавалось в опытах по возникновению пленочного кипения на графитовых стержнях, погруженных в большой объем воды, путем плавного увеличения тепловой нагрузки отодвигать возникновение кризиса до значений q, превышающих нормальные примерно в два раза. При этом интенсивность теплоотдачи в области «растянутого кризиса» практически оставалась постоянной (рис. 22.1). Аналогичный эффект наблюдался и в опытах автора и И. Г. Маленкова при эффекте оттеснения жидкости в условиях барботажа через микропористую поверхность.
