Лекция №1 введение
Нестационарным тепловым процессом является процесс, в котором изменяется один из режимных параметров от времени. В таких тепловых процессах от времени может зависеть давление, расход, плотность теплового потока, температура теплоносителя и др. Из всей совокупности таких процессов большой интерес представляют процессы с изменяющейся во времени плотности теплового потока на греющей стенке q. Причины изменения тепловой нагрузки в нагревателе могут быть весьма различными. В качестве примера можно привести реактивностные аварии в ядерных реакторах, переход сверхпроводниковых устройств, нагруженных током в нормальное состояние, воздействие внешних импульсных тепловых воздействий на систему и ряд других. Наиболее сложно нестационарный теплообмен протекает при фазовых превращениях в охлаждающей жидкости. Особо интересно рассмотреть закономерности протекания кризиса теплообмена при импульсных тепловых воздействиях.
Теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей протекания тепловых процессов при нестационарных тепловых воздействиях оказывается существенно более сложным, по сравнению со случаем стационарного нагрева, из-за появления в таких задачах дополнительного параметра – времени. В нестационарных условиях наступление кризиса теплообмена начинает определять совокупность параметров (критический тепловой поток, перегрев поверхности, интервал времени до момента наступления кризиса), а не только величина критического теплового потока. Возникает также неопределенность в определении величины критического теплового потока в нестационарных условиях: вводятся понятия минимального критического теплового потока и нестационарного критического теплового потока.
Кроме того, основные закономерности и отличительные особенности процессов, происходящих в пристенном слое жидкости при нестационарном тепловыделении, удобнее всего проследить, сравнивая два предельных случая изменения тепловой мощности нагревателя во времени: ступенчатый наброс мощности (dqн/d ) и медленное (квазистационарное) наращивание мощности (dqн/d 0). Для лучшего понимания рассмотрим вначале закономерности теплообмена при квазистационарном подводе тепла.
1. Теплообмен при стационарном теплоподводе (dqн/d 0)
Знание закономерностей теплоотдачи в установившихся условиях необходимо при анализе процессов нестационарного теплообмена.
На рис. 1 представлена кривая кипения насыщенной воды под атмосферным давлением, полученная на цилиндрическом нагревателе d = 100 мкм в условиях большого объема.
Вначале, по мере того как тепловой поток медленно увеличивается от нуля до значения qнк 2105 Вт/м2, рабочий участок охлаждается естественной конвекцией (кривая АВ). Из рисунка видно, что полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчета по известному уравнению для естественной конвекции
Nu = CRan , (1)
где коэффициент С и степень n зависят от числа Релея. Значения С и степени n представлены в таблице.
Ra |
n |
C |
Ra < 5103 |
1/8 |
1,18 |
5103 <Ra < 2107 |
1/4 |
0,54 |
2107 <Ra |
1/3 |
0,13 |
При достижении перегрева Тз (точка В) на теплоотдающей поверхности образуются паровые пузыри. Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки, приводит к тому, что температурный напор Т=Тw - Тs меняется по линии BK. Связь между коэффициентом теплоотдачи = q/Т и плотностью теплового потока при этом можно определить по формуле:
= 3,1 q2/3. (2)
При достижении значения первого критического теплового потока qкр1 0,7106 Вт/м2 происходил кризис пузырькового кипения, который сопровождается значительным скачком температуры нагревателя (линия КС).