А. Н. ОЛЕХНОВИЧ
Монреальская политехническая школа, Канада
ОСОБЕННОСТИ НАЧАЛА КИПЕНИЯ И КРИЗИСА
ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТЕЧЕНИИ ВОДЫ
В РАВНОМЕРНО ОБОГРЕВАЕМЫХ КРУГЛЫХ КАНАЛАХ
В работе анализируются физические процессы, обуславливающие некоторые особенности кипения и кризиса теплоотдачи при течении воды в равномерно обогреваемых круглых каналах при низких и средних давлениях.
В процессе генерации пара тепло от нагреваемой поверхности отво-дится за счет скрытой теплоты испарения и повышенной интенсивности массо - и теплообмена в пристенной области. Таким образом, при кипении устанавливается значительно более мощный по сравнению с конвективным теплообменом в однофазных средах механизм переноса. Широкое использование кипения в промышленных аппаратах и технологических процессах естественно стимулирует углублённое изучение этого процесса. В предлагаемой работе рассматриваются четыре необычных явления, сопровождающих начало кипения и кризис теплоотдачи при течении воды в равномерно обогреваемых каналах при низких и средних давлениях.
В ходе экспериментального исследования кипящих двухфазных по-токов было установлено, что часто, особенно в случае относительно длинных рабочих участков, наблюдаемый процесс начала кипения ра-дикально расходится с общепринятыми представлениями. Поверхностное кипение в канале не начинается даже при сильном перегреве воды (вплоть до 10 °С). Однако, одновременно с достижением на выходе из канала температуры насыщения, на некотором расстоянии от выходного сечения вдоль по течению начинается объемное кипение. По мере увеличения тепловой нагрузки фронт объемного кипения перемещается в сторону обогреваемого канала. В момент входа кипящего фронта в зону обогрева вода закипает почти мгновенно на значительной длине обогреваемого канала. Необходимо также отметить, что при последующем повышении теплового потока наблюдается аналогичная ситуация: кипение распространяется к входу канала резкими скачками. В работе рассматриваются возможные причины такого процесса.
Известно, что в момент возникновения кризиса теплоотдачи при дисперсно-кольцевом режиме течения пароводяной смеси в равномерно обогреваемых круглых каналах пленка жидкости нередко испаряется только частично. Из оставшейся жидкости на поверхности канала фор-мируется тонкий ручеек. Было обнаружено, что при определенных режимных параметрах потока этот ручеек вращается вдоль окружности канала. Одной из самых вероятных причин этого вращения является эксцентриситет характерный для бесшовных холоднотянутых труб. При наиболее распространенном в лабораторных условиях способе обогрева труб путем пропускания через них электрического тока этот эксцентриситет обуславливает значительную угловую неравномерность теплового потока и, следовательно, реактивной силы, действующей на ручеек со стороны покидающего его пара. Следует отметить, что способность тонкой, но быстротекущей пленки охлаждать сильно нагретую поверхность позволяет объяснить температурные колебания стенки канала часто наблюдаемые в начальной стадии кризиса теплоотдачи.
Ухудшение теплоотдачи во время кризиса приводит к существенному повышению температуры стенки. Однако, непосредственно перед кризисом часто наблюдается небольшое, но тем не менее заметное понижение ее температуры. Анализ экспериментальных результатов позволил сделать вывод, что наблюдаемое понижение температуры стенки происходит в условиях дисперсно-кольцевого режима течения двухфазного потока с очень тонкой пленкой. В этом случае тепло через пленку жидкости передается главным образом посредством теплопроводности. Таким образом, последующее утоньшение пленки при увеличении приложенной к каналу мощности приводит к уменьшению ее термического сопротивления и дальнейшему понижению температуры стенки.
В работе также анализируются экспериментальные данные по ис-следованию кризиса теплоотдачи, который происходит вдали от выходного сечения равномерно обогреваемого канала. Была выдвинута гипотеза, что такой тип кризиса теплоотдачи связан с изменением структуры течения при низких недогревах и высоких скоростях потока. В этом случае дисперсно-кольцевой режим течения с высокой концентрацией капель жидкости в центральной части парового ядра может формироваться уже вблизи от входа в канал. Это приводит к значительному уменьшению интенсивности осаждения капель в начальной зоне дисперсно-кольцевого течения и к ее росту на выходе. Были определены условия, при которых такое перераспределение интенсивности осаждения капель приводит к кризису теплоотдачи на некотором расстоянии от выхода из равномерно обогреваемого канала.
