Безопасность теплонапряженной поверхности при кризисе теплоотдачи кипящих бинарных смесей жидкостей

В случае нерегулируемой тепловой нагрузки q, при кипении жидкости в большом объеме, наступает «кризис кипения», при котором вероятность разрушения поверхности нагрева велика. Необходимо контролировать температуру поверхности, для предотвращения пережога нагревателя. По нашему наблюдению «кризис кипения» наступает в момент быстрого испарения жидкости с теплонапряженной поверхности. Предварительно зная, при какой температуре это происходит можно предотвратить разрушение нагревателя.

Объясняют «кризис кипения» с помощью гидродинамического подхода [1]. Считая, что в критической области теплоотдачи пар наиболее интенсивно движется от поверхности нагрева, приобретая при определенной температуре поверхности критическую скорость . Она зависит от соотношения между подъемными силами, силами поверхностного натяжения и силами инерции потока пара. И доказывают, что расчетную формулу для критического теплового потока можно получить из анализа размерностей, если исходить из таблицы следующих 4 величин:

(1)

где ускорение силы тяжести , поверхностное натяжение . Учитывая, что получают формулу:

(2)

величина тепловой нагрузки , плотность пара при критическом тепловом напоре , теплота парообразования .

В соответствии с теорией подобия это означает, что численным значением критерия определяются все гидродинамические характеристики процесса кипения в большом объеме. Такие как скорости жидкости и пара в отдельных точках объема, среднее паросодержание по плоскостям и направлениям в объеме. Тем самым реализуется идея о том, что «кризис кипения» обусловлен процессом отжима паром жидкости от поверхности нагрева.

Для обнаружения критической области теплоотдачи бинарных смесей была поставлена задача: нахождение температурных интервалов наибыстрейшего испарения капель жидкостей. Для этого были выбраны составы, состоящие из воды и этилового спирта от 0 до 70 % по весу органического компонента. Методика эксперимента заключалась в следующем: на массивную бронзовую поверхность, нагреваемую на электрической печи, наносилась капля определенного состава жидкости, объемом 5,2 мл. Электронным секундомером измерялось время ее полного испарения t. Температура бронзовой плиты определялась термопарой К- типа, впаянной на глубину 1 мм от ее поверхности. Зная массу капли, и время ее испарения вычислялась массовая скорость и коэффициент теплоотдачи при данных температурах поверхности нагревателя.

На рис.1 представлены кривые испарения капель бинарной смеси вода-этанол.

В интервале температур (100–140 ⁰С) для 20 % системы «вода-этанол» испарение навески уменьшается, следовательно, скорость испарения возрастает. В этом интервале температур навеска растекается по поверхности. С ростом температуры нагрева, в указанном интервале, внутри навески увеличивается все больше и больше количество паровых пузырьков. В интервале (130–150 ⁰С) наблюдается быстрое испарение навески. В этом интервале она испаряется с характерным шипением, при этом термопара показывает 140 ⁰С, время испарения навески минимально t=0,41с. В интервале температур (145–150 ⁰С) время испарения растет. С дальнейшим увеличением температуры нагрева навеска распадается на мелкие капли, что приводит к увеличению времени ее испарения. Для 50 % раствора капли вода-этанол время испарения уменьшается в интервале температур (100-145 ^оС) и после чего на интервале (150–170 ⁰С) время испарения начинает расти. Для 70 % раствора капли, в интервале (100-115 ⁰С) так же время испарения начинает уменьшаться и при (120–150⁰С) время испарения начинает расти после чего на интервале (150–170⁰С) время остается практически одинаковым.

На рис.2. представлена результирующая кривая зависимости времени быстрого t испарения навески от соответствующей температуры Т на этой поверхности.

Рис. 2. Кривая зависимости времени испарения навески смеси от температурного интервала наибыстрейшего испарения

В области концентраций от 0 до 20 %, время t и температура Т уменьшаются, с дальнейшим увеличением, концентрации от 20 до 70 %, Т уменьшается, а время быстрого испарения увеличивается.

Зная, массу и время испарения капель вычисляем массовую скорость испарения .

Рис. 3. Кривая зависимости скорости испарения капли раствора от температуры нагревания капель; а – 50 % раствор вода-этанол, б – 70 % раствор вода-этанол

На рисунке видно, что самая высокая скорость испарения 50 % раствора капли составляет в температурном интервале (130- 145 ⁰С), для 70 % раствора капли в интервале (105- 115 ⁰С). После этих температурных интервалов скорость испарения понижается.

По результатам вычисления массовой скорости испарения для остальных составов жидкостей вода-этанол строим зависимость массовой скорости испарения от температуры поверхности нагревателя рисунок 4.

Рис. 4. Кривая скорости испарения капель смеси вода-этанол

Как видно на рис. 4 максимальной скоростью испарения, обладает 20 % капля смеси, при этом .

На рисунке 5 приведены экспериментальные результаты зависимости коэффициента теплоотдачи при испарении капель жидкостей вода-этанол.

Рис. 5. Кривая зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры испарения капли: а – вода этанол 50 %, б – вода этанол 70 %

С ростом температуры коэффициент теплоотдачи повышается в интервале (100- 135^оС) 50 % раствора капли и на интервале (100- 110 ⁰С) 70 % раствора капли, после чего коэффициент теплоотдачи понижается с ростом температуры.

Мы считаем, что в критической области теплоотдачи, скорость отвода пара настолько большая, что приводит к отталкиванию жидкость от поверхности нагрева. Рассмотрим модель такого явления. Пусть в момент кризиса теплоотдачи на поверхности нагрева существуют только паровые струи направленные вверх от тепловыделяющего элемента. При этом их площадь сечения различна. Будем отождествлять направленность плотности теплового потока с паровыми струями. При увеличении температуры на за время вверх поднимется струя пара объемом и массой , при этом изменение ее импульса будет равно . В момент отталкивания жидкости паром должно выполнятся условие:

(3)

где сила пара, – сила тяжести жидкости.

Плотность теплового потока в этот момент будет равна

(5)

Подставим (4) в (5) получим:

(6)

С увеличением тепловой нагрузки скорость отвода пара возрастает до тех пор, пока не будет выполняться условие (3). Из формулы (6) следует, что величина плотности теплового потока прямо пропорциональна скорости движения паровой фазы, когда она достигает критической величины, плотность теплового потока становится также критической. При такой наступает отжим жидкости от поверхности нагрева, уменьшается ее приток к поверхности, а это приводит к ухудшению теплообмена, следовательно, к резкому увеличению температуры нагревателя и последующему его разрушению.

Литература:

1. Кружилин Г. Н., Лыков Е. В. Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме. // Жур. Тех. Физ. – 2000. – т. 70. – № 2. С. 16–19.
2. Романов В. В. Исследование процесса кипения и испарения бинарных смесей жидкостей. //Труды международной научно-технической конференции по авиакосмическим технологиям «Аэрогидродинамика и тепломассообмен». Воронеж. – 2005. – ч. 2. С. 14–19.