1.1. Модели пузырькового кипения

Пузырьковое кипение характеризуется периодическим ростом и отрывом паровх пузырей в жидкой фазе. При этом тепло отводится от поверхности как за счет скрытой теплоты парообразования, так и за счет конвективного уноса жидкой фазой, приводимой в движение растущими и всплывающими пузырями.

В настоящее время не существует общепризнанных теоретических формул, описывающих пузырьковое кипение. Тем не менее, такие формулы, полученные по различным моделям, носят большое познавательное значение. Рассмотрим некоторые из них.

Модель скрытой теплоты

(модель Роллиса – Явурека)

В соответствии с этой моделью предполагается, что вся теплота от нагревателя идет на испарение в пузырь у теплоотдающей поверхности

. (3)

Здесь R_d – отрывной диаметр парового пузыря, f – частота отрыва, n – плотность центров парообразования. Отметим, что для расчета по этой формуле необходимо знать микрохарактеристики кипения (R_d, f, n). Экспериментально было показано, что эта формула хорошо описывает данные в насыщенной жидкости до q_э/q_р  0,8.

Модель замещения пара жидкостью

(модель Форстера –Зубера)

Предполагается, что теплоотдачи при пузырьковом кипении определяется замещением жидкости с температурой нагревателя Т_w, удаляемой паром, жидкостью с температурой Т_s, Т=Т_w - Т_s.

(4)

Прямая экспериментальная проверка дает завышенные результаты.

Объединенная модель испарения в пузыри и выталкивания

перегретой жидкости

(модель Волошко-Вургафта)

Считается, что все тепло от нагревателя при пузырьковом кипении отводится двумя механизмами: испарением в пузырь по (3) и уносом пузырями части перегретой жидкости по (4). Вычислив отрывной диаметр пузыря по формуле Фритца, модуль роста плотность центров парообразования по модели Лабунцова было получено соотношение для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении

. (5)

Здесь K_t – критерий системы, А – функция краевого угла смачивания, В – коэффициент  1, Jа – критерий Якоба. Расчет по (5) приводит к чрезмерно сильной зависимости теплоотдачи от перегрузки и исключает возможность априорной оценки коэффициента А.

Модель переноса энтальпии

(модель Хана-Гриффитса)

По этой модели энтальпия, переносимая одиночным пузырем приравнивается к энергии, содержащейся в тепловом пограничном слое внутри области влияния каждого центра парообразования. Область влияния представляет собой объем жидкости, имеющего форму прямоугольного параллепипеда с площадью основания D_d² и высотой . В результате получается выражение

. (6)

Модель усиленной естественной конвекции

(модель Зубера)

Эта модель основана на аналогии между пузырьковым кипением и естественной турбулентной конвекцией. Считается, что всплытие паровых пузырей усиливает термически инициируемое подъемное движение жидкости. Из модели следует выражение для коэффициента теплоотдачи

. (7)

Здесь имеет смысл объемного паросодержания, С = 0,31. Показано, что для лучшего описания экспериментальных данных коэффициент C должен быть равен 0,16.

Микрослоевая модель теплоотдачи при пузырьковом кипении

(модель Лабунцова)

Непосредственно из прямых оценок Лабунцов получил уравнение для теплоотдачи при пузырьковом кипении

(8)

Здесь С₁ = 10^-310^-4; С₂  10 С₁, q₁ –плотность теплового потока, связанного с переносом тепла через пограничный слой толщиной , q₂ – плотность теплового потока, расходуемого на поддержание кипения у поверхности нагрева. Уравнение (8) дает различную зависимость q = f(T) для разных диапазонов давлений и тепловых потоков. В пределе формула (8) переходит в соотношение   q^2/3.