22.3. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА НА ВЕЛИЧИНУ

Шероховатость поверхности нагрева повышает значение критической плотности теплового потока, что, по-видимому, связано с повышением устойчивости жидких пленок при наличии выступов и впадин. Имеет значение также и ориентация поверхности нагрева относительно направления вектора силы тяжести, а именно: при горизонтальном расположении пластинки конечных размеров значение меньше, чем для той же пластинки, поставленной на ребро. Объясняется это тем, что на нижней части горизонтальной пластинки скапливаются крупные паровые пузыри, способствующие более легкому возникновению сплошного парового слоя.

При кипении на горизонтальной трубе, обогреваемой изнутри конденсирующимся паром, значения первой критической плотности теплового потока также оказываются заметно ниже, чем при кипении на трубах, обогреваемых электрическим током.

Рис. 22.5. Зависимость первой критической плотности теплового потока от поперечного размера поверхности нагрева при температуре насыщения при

Так, в опытах Эйкина и Мак-Адамса значение при кипении воды под атмосферным давлением на медной трубе диаметром 13 мм оказалось равным 600 000 Вт/м2, в то время как для горизонтальной плиты и электрически обогреваемых цилиндров соответствующее значение , больше 1 000 000 Вт/м2. Такое существенное расхождение связано не только с некоторым застоем паровых пузырей в нижней части трубы, но и с существенной неравномерностью теплового потока по окружности горизонтальной трубы при конденсации в ней пара. Эта неравномерность обусловлена затоплением нижней части трубы конденсатом, в результате чего при сравнительно низком значении средней плотности теплового потока его локальные значения на верхней половине трубы могут достигнуть и даже превзойти истинные критические значения.

Рис. 22.6. Зависимость критерия устойчивости k от комплекса

При размерах поверхности нагрева, соизмеримых с отрывным диаметром пузырей, т. е. порядка , автомодельность кризиса кипения относительно этого фактора нарушается. Влияние поперечного размера поверхности нагрева на было исследовано автором, Г. И. Бобровичем, И. И. Гогониным. Нагревателями служили достаточно протяженные цилиндры диаметром от 0,1 до 6 мм и пластины, теплоизолированные снизу и сверху с шириной от 5 до 500 мм. Здесь же нанесены данные Лайона при кипении гелия на торцевой поверхности цилиндра , теплоизолированной снизу и сверху. На рис. 22.5 показана соответствующая зависимость для воды и спирта при температурах насыщения. Отчетливо видна область, в которой критический тепловой поток не зависит от размеров поверхности нагрева, и область, в которой эта зависимость существенно проявляется.

В последнем случае зависит как от диаметра цилиндра, так и от его ориентации относительно вектора силы тяжести.

Рис. 22.7. Фотография кипения воды на тонкой проволоке при Па и околокритической нагрузке

При горизонтальном расположении цилиндров наблюдается отчетливый максимум в зависимости , от D, отсутствующий для вертикальных цилиндров. Это различие связано с неодинаковыми условиями эвакуации пузырей с поверхности нагрева при горизонтальном и вертикальном расположении.

В области малых диаметров имеет место условие .

На рис. 22.6 экспериментальные данные представлены в виде зависимости критерия устойчивости к от комплекса .

Рис. 22.8. Карта влияния размеров нагревателя на при кипении в условиях свободной конвекции. Опыты на воде, этаноле, бензоле, спиртоводной смеси ) — комплекс, учитывающий влияние недогрева жидкости до температуры насыщения): 1 — участок теплоизолирован снизу; 2 — участок теплоизолирован сверху

Как видно, весьма разнородные по размерным параметрам данные удовлетворительно описываются одной и той же кривой для данной геометрии нагревателя (включая в это понятие и ориентацию относительно вектора силы тяжести). Таким образом, можно считать, что автомодельность кризиса кипения относительно размера нагревателя в условиях свободной конвекции для горизонтальных цилиндров имеет место при и для вертикальных цилиндров при . Максимальное значение критерия k для горизонтального цилиндра имеет место при

Как видно из рис. 22.7, при кипении на тонкой проволоке пузыри обволакивают в месте своего возникновения весь нагреватель, чем резко ухудшают локальный теплообмен и вызывают пережог, отождествляемый с кризисом кипения.

Полная картина влияния размеров нагревателя на первый критический тепловой поток при кипении насыщенной и недогретой жидкости в условиях свободной конвекции приведена на рис. 22.8 по данным, полученным автором, И. И. Гогониным и Н. В. Валукиной.