3.8.5. Кризисы кипения

Кризисами теплоотдачи называются процессы, связанные с коренным изменением механизма теплоотдачи. Они наблюдаются при переходе пузырькового режима кипения в пленочный и при обратном переходе от пленочного режима к пузырьковому.

Переход от пузырькового режима кипения к пленочному режиму кипения носит черты кризисного явления, так как в момент смены режима кипения наблюдается внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом режиме кипения называют первой критической плотностью теплового потока, и обозначают q_кр1.

В основу определения первой критической плотности теплового потока, заложена гидродинамическая теория кризисов, предложенная С.С. Кутателадзе. В ней используется представление о кризисе кипения, как о процессе, характеризуемом чисто гидродинамической природой. Кризис вызывается потерей динамической устойчивости двухфазного потока вследствие того, что пар отбрасывает жидкость от поверхности теплообмена.

Условие устойчивости граничного двухфазного потока определяются взаимодействием кинетической энергии пара, гравитационных сил в двухфазном потоке и сил поверхностного натяжения.

Порядок величины динамического напора пара определяется произведением:

.

Порядок гравитационных сил определяется выражением:

,

где δ— средняя толщина возникающего парового слоя. Эта величина связана с поверхностным натяжением через капиллярную постоянную:

.

Возникновение кризиса равновероятно в любом месте поверхности теплообмена и, следовательно:

После введения капиллярной поправки и извлечения квадратного корня последняя зависимость принимает вид:

Используя связь между скоростью парообразования и плотностью теплового потока, получим выражение для критического значения теплового потока в виде:

. (3.69)

Полученная формула описывает опытные данные по критическим тепловым потокам неметаллических теплоносителей в условиях большого объема и свободной конвекции жидкости, Постоянная k =0,13-0,16 называется критерием устойчивости. Она характеризует отношение энергии динамического потока пара к энергии, необходимой для ускорения частиц жидкости, отбрасываемых от стенки, до скорости основного потока.

Температурный напор в момент достижения критической тепловой нагрузки называют критическим температурным напором ΔТ_кр. Например, для воды при атмосферном давлении q_кр1 =1210⁵ Вт/м² критический напор (ΔТ_кр1 ) равен 25-30 градусов.

На критическую тепловую нагрузку влияет большое количество различных факторов. К основным факторам, влияющим на критическую тепловую нагрузку, относятся давление и скорость движения потока жидкости, недогрев жидкости, ее физические свойства и состояние поверхности нагрева.

Второй кризис кипения характеризует переход от пленочного к пузырьковому режиму кипения и сопровождается разрушением паровой пленки на поверхности нагрева. По имеющимся опытным данным при кипении в большом объеме

q_кр1 = 0,2q_кр1.