22.7. КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК В ОБЛАСТИ УМЕРЕННЫХ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ

При обтекании пластины неограниченным потоком жидкости величина сростом скорости течения меняется плавно от значений, определяемых формулами (22.2.5)—(22.6.4), до значений, определяемых формулами (22.5.6)— (22.6.9).

Простейшая интерполяция может быть записана как сумма этих значений, поскольку критический тепловой поток при больших скоростях течения существенно больше, чем при свободной конвекции:

    (22.7.1)

Здесь — значение константы в формуле (22.2.5) и — значение константы в выражении (22.5.6). Для области больших и умеренных скоростей влияние недогрева можно учитывать по формуле (22.6.9). Тогда при

где

Рис. 22.10. Сопоставление экспериментальных данных с формулой (22.7.2) для спирта в интервале давлений Па и для аммиака при

На рис. 22.10 дано сопоставление этой формулы с опытами Л. С. Штоколова и Д. Р. Бартца для значений параметра .

При больших значениях этого параметра наблюдается более медленное изменение критического теплового потока с ростом энтальпии недогрева, а кризис возникает не на выходной кромке, а сразу по всей поверхности нагрева. Однако рассмотрение этого еще мало изученного явления выходит за рамки данной книги.

Аналогичные зависимости имеют место и при охлаждении пластины перпендикулярно набегающей на нее струей жидкости (рис. 22.11). Опыты были проведены Б. Ш. Чхеидзе под руководством автора. Для струи диаметром, примерно равным диаметру поверхности нагрева, при энтальпии недогрева получена зависимость

получена зависимость

    (22.7.4)

При

    (22.7.5)

    (22.7.6)

Соответствующие экспериментальные данные показаны на рис. 22.12. Отчетливо наблюдаются область автомодельности относительно параметра недогрева и область существенного влияния энтальпии недогрева на критический тепловой поток.

При течениях в трубах картина возникновения кризиса кипения при сравнительно небольших скоростях циркуляции может быть весьма сложной. В этом случае параметр можно рассматривать как «отрицательное массовое паросодержание» потока , а при , т. е. когда , этот параметр точно равен массовому паросодержанию потока.

Рис. 22.11. Схема задачи об охлаждении пластины набегающей струей

Рис. 22.12. Обобщение экспериментальных данных по критическим тепловым потокам при охлаждении поверхности пластины падающей струей

Проведенный выше анализ предельных режимов возникновения пленочного кипения показывает, что в общем случае должна существовать связь между следующими гидродинамическими и тепловыми параметрами потока:

где — характерный поперечный размер канала и L — длина канала.

На рис. 22.13 приведена характерная зависимость от для беспульсационных режимов в круглых трубах по опытам В. Е. Дорощука и Ф. П. Фрид. В области «отрицательных паросодержаний» отчетливо видны прямолинейные зависимости. В области положительных паросодержаний продолжается монотонное снижение значения критического потока, но зависимость носит более сложный характер.

При пульсациях в циркуляционном контуре величина имеет максимумы в области значений .

Эти максимумы, обнаруженные впервые в опытах М. А. Стыриковича, З. Л. Миропольского и М. Е. Шицмана, отчетливо наблюдаются при низких давлениях и вырождаются при высоких давлениях.

Рис. 22.13. Зависимость от паросодержания при кипении воды в трубе

Рис. 22.14. Зависимость критерия k от критерия при по опытам с широкими щелями

В области сравнительно небольших чисел критерий устойчивости k приблизительно пропорционален корню квадратному из числа Фруда. Так, показанные на рис. 22.14 опыты автора, Е. К. Аверина и Г. Н. Кружилина, В. С. Чиркина и Юкина с щелевыми каналами описываются эмпирической зависимостью

    (22.7.8)

а опыты 3. Л. Миропольского и М. Е. Шицмана с круглыми трубами — зависимостью

    (22.7.9)

В более широких диапазонах параметров, но все же в области умеренных значений , зависимость имеет более сложный характер.

Рис. 22.15. Зависимость критерия k от и в области положительных значений паросодержания

Так, В. И. Субботин и его сотрудники обнаружили, что при очень больших скоростях течения в области низких давлений наблюдается даже некоторый минимум в зависимости

На рис. 22.15 показана зависимость

    (22.7.10)

где — объемное расходное паросодержание потока, построенное Р. А. Рыбиным по большому количеству опытов с кипением воды в протяженных круглых трубах, для умеренных значений . При однозначность этой функции нарушается.

Однако в широком интервале давлений, паросодержаний (положительных и отрицательных), скоростей течения зависимость критических тепловых потоков от этих факторов очень сложна, неоднозначна и до сих пор еще мало изучена.

Рис. 22.16. Схема зависимости критической плотности теплового потока от массового паросодержания при кипении в трубе при умеренных давлениях, когда орошение стенки трубы не интенсивно

Рис. 22.17. Схема зависимости при интенсивном орошении стенки трубы из потока пара, несущего диспергированную влагу

Попыткой как-то упорядочить данные хотя бы для простейшей ситуации явились рекомендации по расчету кризиса теплоотдачи при кипении воды в равномерно обогреваемых круглых трубах. Эти рекомендации были составлены большой рабочей группой под председательством Б. С. Петухова. Различают два рода кризисов — гидродинамический, связанный с возникновением пленочного кипения (который только и рассматривался выше), и кризис высыхания (полного испарения) пристенной пленки жидкости, который может протекать как при наличии, так и в отсутствие орошения стенки трубы уносимыми потоками пара каплями жидкости.

На рис. 22.16 показана схема изменения критического теплового потока с ростом положительного массового паросодержания при давлениях меньше 15 МПа. Кривая I соответствует явлению возникновения пленочного кипения (кризис первого рода по терминологии В. Е. Дорощука). Кривая II соответствует процессу высыхания пленки при дисперсно-кольцевом течении жидкой фазы (кризис второго рода). На рис. 22.17 показаны характерные графики размытого перехода от одного критического режима к другому, наблюдаемые при высоких давлениях. Зависимость первого типа (см. рис. 22.16) соответствует слабому орошению стенки трубы каплями жидкости из потока пара. Размытая картина (см. рис. 22.17) соответствует значительному орошению. В первом случае наступление кризиса второго рода условно можно характеризовать некоторым критическим (граничным) массовым паросодержанием (табл. 22.1). Соответствующие критические плотности тепловых потоков приведены в табл. 22.2.

Таким образом, накопленный в настоящее время обширный экспериментальный материал о кризисах теплообмена при кипении в трубах и каналах пока еще не обобщен надлежащим образом. В литературе к данной главе приведены источники, достаточно полно освещающие имеющееся положение и содержащие сводки различного рода эмпирических формул и рекомендаций.

Таблица 22.1. Граничные массовые паросодержання при кипении воды в круглой трубе диаметром 8 мм

Таблица 22.2. Выборочные данные из скелетной таблицы критических плотностей теплового потока (мВт/м2) при кипении воды в круглой трубе диаметром 8 мм при различных давлениях