1.2. Кризис теплоотдачи

Увеличение теплового потока при пузырьковом кипении приводит к ризису теплоотдачи. Практическое значение изучения кризиса теплоотдачи определяется аварийными ситуациями, возникающими в энергетическом оборудовании. Известны несколько моделей кризиса теплоотдачи. Рассмотрим их подробнее.

Гидродинамическая модель

(модель Кутателадзе)

Эта модель получила наибольшее распространение. Предполагается, что переход от пузырькового кипения к пленочному является гидродинамическим процессом потреи устойчивости двухфазного граничного слоя у теплоотдающей поверхности. Из анализа систем уравнений С.С. Кутателадзе получил уравнение

, (9)

где К – коэффициент (критерий устойчивости), определяемый по опытным данным (К = 0,1 0,2).

Это выражение можно получить из простой физической интерпретации на основе между барботажем и кипением. Так К² – отношение динамического напора вдуваемого газа (пара) ² и работы, затраченной на оттеснение жидкости от теплоотдающей поверхности g( - ), т.е.

(10)

В формуле (10) w- критическая скорость пара w = q_кр/r. В качестве характерного размера паровой пленки  предлагается использовать постоянную Лапласа. Рассмотрим физическую сущность постоянной Лапласа. Для этого рассмотрим качественную картину развития неустойчивости на поверхности раздела двух сред для плоского случая.

Пусть на границе раздела жидкость – пар возникло возмущение с характерным размером x (рисунок).

На возмущенный объем действует дополнительная сила тяжести  ( - )gx³. Этой силе противодействует сила поверхностного натяжения  (/x)x². Очевидно, что если (x) > ( - )gx³ – граница раздела будет устойчива. В противном случае неустойчива.

Пределом устойчивости служит постоянная Лапласа b = ( /( - )g)^0,5.

Термодинамическая модель

(модель Скрипова)

Верхней границей теплоотдающей поверхности при пузырьковом кипении является температура предельного перегрева. Модель работает при повышенных давлениях (P/P_кр > 0,6). Частота гомогенной нуклеации J пропорциональна вероятности флуктуационного возникновения зародышей пара в метастабильной жидкости

(11)

W_кр – работа для образования центра паровой фазы W_кр = 4R_кр/3. Развитие теории кинетики нуклеации связано с Фольмером, Дерингом и Зельдовичем, отличаются выражением для предэкспоненциального множителя С. При достижении предельного перегрева Т_пр считается, что lgJ > 7. Для предельной температуры получена зависимость

Т_пр/Т_кр = В (р/р_кр) + А (12)

Коэффициенты В и А зависят от свойств жидкости.

Тепловая модель

(модель Толубинского)

Используя модель переноса скрытой теплоты и учитывая, что при кризисе

n = (4R_d²)^-1, Толубинский получил

. (13)

Теплоотдача в режиме пленочного кипения (кривая СD) рассчитывается по формуле, для нагревателей малого диаметра у которых :

, (14)

где - критическая длина волны и Q₂ = cT/(r(1+0,34 cT/r)²).

Если, не доходя до значения q_кр1, начать уменьшать тепловой поток q, то перегрев поверхности меняется по той же линии KB, при этом гистерезиса кривой кипения в области пузырькового кипения воды не наблюдается.

Если, не доходя до значения q_кр1, начать уменьшать тепловой поток q, то перегрев поверхности меняется по той же линии KB, при этом гистерезиса кривой кипения в области пузырькового кипения воды не наблюдается.