22.9. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПЕРЕХОД ОТ ОДНОФАЗНОЙ КОНВЕКЦИИ К ПЛЕНОЧНОМУ КИПЕНИЮ

На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, возникает значительный перегрев пристенного слоя жидкости по отношению к температуре насыщения при данном давлении над плоскостью. Это явление отчетливо наблюдается в металлических и неметаллических жидкостях при низких давлениях, когда существующие потенциальные центры парообразования выключаются вследствие увеличения критического радиуса зародыша с понижением давления.

В такой метастабильной ситуации пленочное кипение может возникнуть, минуя режим развитого пузырькового кипения. Это явление имеет место и при кипении на очень тонких проволоках. По опытам автора, Г. И. Бобровича, Б. П. Авксентюка, Н. Н. Мамонтовой и В. Н. Москвичевой, этот переход имеет кавитационный характер происходит взрывообразное возникновение облака микропузырей в окрестности нагревателя, испарение пристенного слоя жидкости и формирование паровой пленки. Некоторые фотографии такого процесса показаны на рис. 22.21.

Ниже излагается модель этого явления, предложенная автором и Б. П. Авксентюком.

Критические тепловые потоки, имеющие место при нестабильном кипении, лежат в диапазоне между обусловленной описанным ранее гидродинамическим механизмом, и соответствующей минимальному тепловому потоку, вызывающему непосредственный переход от однофазной тепловой конвекции к пленочному кипению. При этом должно иметь место условие

    (22.9.1)

В качестве критерия кавитационного механизма такого перехода можно ввести величину

    (22.9.2)

где - критический радиус зародыша паровой фазы; а — характерная зкорость перемещения границы раздела фаз; V — эффективный объем жидкости, присоединенный к движению границы раздела. Числитель этого выражения является масштабом работы возникновения паровой фазы, а знаменатель — масштабом воздействия кавитационного импульса. При этом принято .

Рис. 22.21. Фотография взрывообразного возникновения паровой пленки на проволочном нагревателе при кипении бензола

Масштабом максимальной конечной скорости перемещения границы раздела фаз может быть ее значение при радиусе пузыря порядка , а масштабом присоединенного объема жидкости — его максимальное значение, соответствующее радиусу лапласовой постоянной. Тогда, определяя скорость перемещения поверхности пузыря по модели теплового удара (см. гл. 21), получим

Подставляя эти масштабы характерных величин в выражение (22.9.2), получаем безразмерное число критического перегрева жидкости при свободной конвекции:

Расчет по этой формуле приведен в табл. 22.3.

Таблица 22.3. Значения критического перегрева насыщенной жидкости около поверхности нагрева, обедненной центрами парообразования

На рис. 22.22 приведена характерная диаграмма границы вскипания по опытам с двумя неметаллическими жидкостями. На рис. 22.23 представлены результаты обработки опытных данных по критерию (22.9.4) для калия, цезия, бензола и этанола.

Рис. 22.22. Обработка экспериментальных данных по перегревам перед вскипанием для этанола и бензола

Рис. 22.23. Минимальные перегревы, при которых вскипание приводит к пленочному кипению (обработка опытных данных)

Как видно, кавитационная модель непосредственного перехода однофазной тепловой конвекции в пленочное кипение качественно вполне правильно описывает наблюдаемые факты. Количественное согласование имеющихся экспериментальных данных также можно считать удовлетворительным.