ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2008, том 46, № 3, с. 413-420
УДК 536.423.4.535.5
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОШИБКИ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ
© 2008 г. И. И. Гогонин
Институт теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе, г. Новосибирск Поступила в редакцию 07.12.2006 г.
Проанализирован ряд характерных методических ошибок, допускаемых в экспериментальных исследованиях теплообмена при кипении в условиях свободной конвекции. 1. Объем экспериментального сосуда слишком мал, и исследуется теплообмен в щели между стенками сосуда и экспериментального участка. 2. Рабочий объем не термостатирован. Дополнительные конвективные течения приводят к изменению температурного напора в области перехода от конвекции к кипению. 3. Малая относительная длина экспериментального участка не позволяет корректно определить значение удельного теплового потока. 4. Измерения выполняются только при снижении теплового потока. Явление гистерезиса может существенно изменить определяемый температурный напор. 5. Кратковременный режим пленочного кипения, который иногда возникает после конвекции, приводит к термическому разложению теплоносителя, образованию окисных пленок на экспериментальных участках и значительному снижению теплоотдачи. Описание экспериментального стенда принятой методики измерений, экспериментального участка, качества теплоносителя должны приводиться при публикации статей значительно подробнее, чем принято в настоящее время.
PACS: 44.25 + f; 47.55. dp
ВВЕДЕНИЕ
В [1-7] показано, что в настоящее время отсутствуют универсальные формулы, учитывающие наблюдаемые в экспериментах многочисленные особенности теплообмена при кипении. Это связано с определенными обстоятельствами, важнейшими из которых являются следующие.
а) Процесс передачи тепла от теплоотдающей стенки к кипящей жидкости, который до сих пор не удалось описать математически строго, без существенных упрощений и допущений, является весьма сложным. Это приводит к тому, что даже при критериальной обработке целый ряд определяющих безразмерных параметров, характеризующих теплоотдающую стенку, выпадает из рассмотрения в существующих критериальных формулах. Как показано в [2, 5, 7], задачу о теплообмене при кипении необходимо рассматривать как задачу с сопряженными граничными условиями. Интенсивность теплообмена при кипении зависит как от физических свойств кипящей жидкости, так и от теплофизических свойств теплоотдающей стенки.
б) Отсутствует полное описание условий проведения экспериментов в публикациях многих авторов. Даже такие важнейшие параметры экспериментального участка, как марка материала, толщина стенки, шероховатость, диаметр и длина экспериментального участка, чрезвычайно редко приводятся в публикациях одновременно. Не всегда говорится о химической чистоте теплоносите-
ля и способах его дегазации перед проведением эксперимента.
в) Значительное количество работ выполнено с методическими ошибками. Некоторые из них настолько очевидны, что их удается установить при внимательном изучении публикации. Другие остаются скрытыми от читателя из-за краткости изложения условий выполнения эксперимента.
Последние две причины приводят к тому, что при сопоставлении данных разных авторов сравниваются результаты опытов, которые считать проведенными в одинаковых условиях нельзя. Сопоставление теоретически определенных параметров с экспериментом оказывается бессмысленным.
Задача данной публикации - анализ методических ошибок при проведении экспериментальных исследований в условиях кипения при свободной конвекции.
Одной из распространенных и грубейших ошибок следует считать нарушение условий свободной конвекции в большом объеме. Такое нарушение происходит по причинам, рассмотренным ниже.
1. НЕДОСТАТОЧНОСТЬ ОБЪЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СОСУДА
Кипение в этом случае происходит не в большом, а ограниченном объеме, точнее в щели между стенками сосуда и стенками эксперимен-
414
гогонин
Р, кПа
Рис. 1. Температурный напор начала кипения при д = 40 кВт/м2 на цилиндрах разного диаметра по данным [9].
тального участка. Так, например, в [8] диаметр горизонтального сосуда, в котором исследовалось кипение фреонов, был равен 76.2 мм, а диаметры экспериментальных участков изменялись от 17.5 до 19.1 мм. Отношение диаметра сосуда к диаметру экспериментального участка колебалось в пределах 4-4.3. Подобные условия проведения опытов имели место в [9] при кипении воды в условиях вакуума. Здесь теплообмен происходил в горизонтально расположенном цилиндре диаметром 250 мм, а диаметр горизонтальных экспериментальных участков изменялся от 10 до 70 мм. В этой работе сопоставляются опыты, проведенные в разных условиях. В случае, когда диаметр цилиндра был равен 10 мм, теплообмен происходил в условиях свободной конвекции. При диаметре экспериментального цилиндра С = 70 мм, теплообмен происходил в щели, где Б/С = 3.57. По данным, приведенным в этой публикации, размер отрывающихся пузырей на цилиндре большого диаметра колебался от 20 мм при атмосферном давлении до 70 мм при давлении 0.02 от атмосферного. Последнее значение практически совпадает с размерами щели между стенками рабочего объема и экспериментального участка. Всплытие пузыря на цилиндре большого диаметра всегда сопровождается пульсациями давления в ограниченном объеме и скорости жидкости в щели. Из рассмотренных выше условий проведения опытов в работах [8, 9] следует, что при тепловых потоках, близких к точке перехода от конвекции к кипению, теплоотдача будет определяться как процессом кипения, так и скоростью жидкости за счет конвекции. Температурный напор, соответствующий переходу от конвекции к кипению, в щели может многократно отличаться
от температурного напора в условиях свободной конвекции в большом объеме.
Подтверждением сказанному может служить анализ данных, опубликованных в [9, 10]. На рис. 1 приведены данные из работы [9] в области перехода от естественной конвекции к кипению. Например, на цилиндре С = 70 мм при давлении 26 кПа переход осуществлялся при д = 40 кВт/м2 и ДТЖ = 8°С. Результаты этого эксперимента необходимо сопоставить с расчетом по критериальной формуле, описывающей теплообмен при естественной конвекции около погруженных в жидкость тел.
Сопоставление экспериментальных и рассчитанных данных позволяет утверждать, что условия свободной конвекции нарушались, так как
аэксп/арасч = 6.7.
2. ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА
Другая причина нарушений условий свободной конвекции заключается в том, что температура стенки рабочего объема не равна температуре насыщения. Через стенку экспериментального сосуда может подводиться избыточное количество тепла (электрический нагреватель снаружи или внутри сосуда) и ^ > 0. Возможен случай, когда стенка плохо теплоизолирована или не изолирована совсем, вследствие чего имеют место потери тепла в окружающую среду и условие ^ < 0. В обоих случаях это приводит к дополнительным конвективным потокам в рабочем объеме жидкости. Примером нарушения условий свободной конвекции служат результаты японских исследователей, опубликованные в [10]. Опыты при кипении воды были выполнены в нетермостатированных рабочих сосудах существенно разного объема. Серия А выполнена при условии, когда все дно стеклянного сосуда Б = 100 мм было полностью покрыто расплавленным сплавом Вуда, а тепловыделяющий медный блок, находящийся под расплавленным металлом имел диаметр С = 80 мм. Серия В была выполнена в сосуде размером 220 х х 220 мм, а тепловыделяющий медный блок, расположенный в центре днища сосуда, имел диаметр диска С = 40 мм.
На рис. 2а и 26 приведены результаты этих опытов. Отчетливо видно, что при развитом пузырьковом кипении результаты опытов практически не различаются между собой. Однако в области перехода от конвекции к кипению и в опытах при конвекции имеют место существенные отличия в разных сериях опытов. Серия А проведена в ограниченном объеме, и экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи при конвекции от 8 до 14 раз превышает расчетное значение, вычисленное по зависимости, опреде-
Рис. 2. Теплообмен при кипении воды на поверхности расплавленного металла в ограниченном объеме (серия А) [10] - (а); теплообмен при кипении воды на поверхности расплавленного металла и твердой стенке в условиях свободной конвекции (серия В) [10] - (б).
ляющей теплообмен при естественной конвекции. При кипении имеет место область параметров, когда вклад в общий теплосъем при кипении и конвекции соизмеримы и а ~ д05 (д < 105 Вт/м2).
При кипении в большом объеме (серия В) такая четко выраженная область отсутствует. Однако из-за тепловых потерь рабочего объема экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи при конвекции превышают расчетные значения до четырех раз. Опыты показали, что значение скорости конвективного течения в ограниченном объеме (серия А) многократно превышало скорость жидкости в большом объеме (серия В). Версия авторов этой работы о причинах начала пузырькового кипения на идеально глад-
5 х 104 а, Вт/(м2 К)
д, Вт/м2
Рис. 3. Теплообмен при кипении воды Р = 1 бар, С = 3 мм: 1 - объем термостатирован; 2 - объем не термостати-рован; 3 - данные [16].
кой поверхности расплавленного металла, по всей вероятности, не является единственной. Значительные тепловые потери через стенку рабочих объемов и вызванная ими дополнительная конвекция могли принципиально изменить точку перехода от конвекции к кипению и явиться причиной конвективных течений в расплавленном металле. Конвективные течения в металле образуют ячеистую структуру на его поверхности. Идеально гладкой такую поверхность считать нельзя.
Автор данной публикации провел специальные исследования по влиянию тепловых потоков через стенку рабочего объема на теплообмен при конвекции и при переходе от конвекции к кипению. Результаты этих опытов опубликованы в [11]. Эксперименты проводились при кипении воды и фреона Я21 на горизонтальных цилиндрах С = 2.48 и С = 3.0 мм.
Результаты измерений теплообмена при кипении воды представлены на рис. 3. Опытам при кипении предшествовали измерения теплообмена
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.