Критический тепловой поток

В изучении теплопередачи , критический тепловой поток ( CHF ) — это тепловой поток при котором кипение перестает быть эффективной формой передачи тепла от твердой поверхности к жидкости .

Описание

Кипящие системы — это системы, в которых жидкий теплоноситель изменение поглощает энергию от нагретой твердой поверхности и претерпевает фазовое . В системах с проточным кипением насыщенная жидкость проходит ряд режимов потока по мере увеличения качества пара. В системах, в которых используется кипение, скорость теплопередачи значительно выше, чем если бы жидкость была однофазной (т.е. вся жидкость или весь пар). Более эффективная передача тепла от нагретой поверхности происходит за счет теплоты парообразования и явного тепла . Таким образом, при кипении теплообмен играет важную роль в промышленных процессах теплопередачи, таких как макроскопические теплообменники для на атомных и ископаемых электростанциях, а также в микроскопических устройствах теплопередачи, таких как тепловые трубки и микроканалы охлаждения электронных чипов .

Использование кипения как средства отвода тепла ограничено условием, называемым критическим тепловым потоком (CHF). Самая серьезная проблема, которая может возникнуть вокруг ХТФ, заключается в том, что температура нагреваемой поверхности может резко повыситься из-за значительного снижения теплоотдачи. В промышленных приложениях, таких как охлаждение электроники или космическое оборудование, внезапное повышение температуры может поставить под угрозу целостность устройства.

Двухфазная теплопередача

Конвективный теплообмен между равномерно нагретой стенкой и рабочим телом описывается законом охлаждения Ньютона :

q=h(T_{w}-T_{f})\,

где $q$ представляет собой тепловой поток, $h$ представляет собой пропорциональную константу, называемую коэффициентом теплопередачи , $T_{w}$ представляет температуру стенки и $T_{f}$ представляет температуру жидкости. Если $h$ значительно снижается из-за возникновения состояния ХСН, $T_{w}$ увеличится для фиксированного $q$ и $T_{f}$ пока $q$ будет уменьшаться при фиксированном $\Delta T$ .

Режимы CHF

Понимание явления CHF и точное предсказание состояния CHF важно для безопасного и экономичного проектирования многих установок теплопередачи , включая ядерные реакторы , ископаемом топливе котлы на , термоядерные реакторы , электронные чипы и т. д. Поэтому это явление широко исследовалось на протяжении многих лет. мир с тех пор, как Нукияма впервые охарактеризовал его. ^[1] В 1950 году Кутателадзе предложил гидродинамическую теорию кризиса выгорания. ^[2] Большая часть значительной работы была проделана за последние десятилетия при разработке ядерных реакторов с водяным охлаждением . Сейчас многие аспекты этого явления хорошо изучены, и прогнозирования несколько надежных моделей доступно для условий, представляющих общие интересы.

Авторы по-разному используют термин «критический тепловой поток» (CHF). ^[3] Комиссия по ядерному регулированию США предложила использовать термин «критический переход при кипении» (КПТ) для обозначения явления, связанного со значительным уменьшением двухфазной теплопередачи. ^[4] Для одного вида жидкая фаза обычно имеет значительно лучшие свойства теплопередачи, чем паровая фаза, а именно теплопроводность. Таким образом, в целом КПТ является результатом некоторой степени нехватки жидкости в локальном положении вдоль нагретой поверхности. Двумя механизмами, которые приводят к достижению КПТ, являются: отклонение от пузырькового кипения (DNB) и высыхание жидкой пленки.

ДНБ

Отход от пузырькового кипения (ДНБ) происходит в режимах недогретого течения и пузырькового течения. ДНБ происходит, когда множество пузырьков вблизи нагретой поверхности сливаются и препятствуют проникновению местной жидкости на поверхность. Массу пара между нагретой поверхностью и местной жидкостью можно назвать паровой подушкой.

Высыхание

Высыхание означает исчезновение жидкости на поверхности теплопередачи, что приводит к КПТ. Высыхание пленки жидкости происходит в кольцевом потоке . ^[3] Кольцевое течение характеризуется паровым ядром, пленкой жидкости на стенках и каплями жидкости, увлекаемыми внутри ядра. Сдвиг на границе раздела жидкость-пар приводит к течению пленки жидкости вдоль нагретой поверхности. В общем, двухфазный ГТК увеличивается с уменьшением толщины жидкой пленки. Было показано, что этот процесс происходит во многих случаях высыхания, которые охватывают конечную продолжительность и являются локальными для определенного местоположения. ^[3] CBT происходит, когда доля времени, в течение которого локальная позиция подвергается высыханию, становится значительной. ^[3] За одним событием высыхания или даже несколькими событиями высыхания могут следовать периоды устойчивого контакта между пленкой жидкости и ранее сухой областью [1] . Многие события высыхания (сотни или тысячи), происходящие последовательно, являются механизмом значительного снижения CBT, связанного с высушиванием. ^[3]

Пост-CHF

Post-CHF используется для обозначения общего ухудшения теплопередачи в процессе кипения в потоке, и жидкость может иметь форму дисперсного распыления капель, непрерывного жидкого ядра или перехода между первыми двумя случаями. Пост-высыхание можно специально использовать для обозначения ухудшения теплопередачи в состоянии, когда жидкость находится только в виде дисперсных капель, а остальные случаи обозначать термином Пост-ДНБ. ^[5]

Корреляции

Критический тепловой поток является важной точкой на кривой кипения, и может быть желательно проводить процесс кипения вблизи этой точки. Однако следует проявлять осторожность, рассеивая тепло сверх этого количества. Зубер, ^[6] посредством анализа гидродинамической устойчивости проблемы разработал выражение, аппроксимирующее эту точку.

{\frac {q}{A_{\text{max}}}}=Ch_{fg}\rho _{v}\left[{\frac {\sigma g\left(\rho _{L}-\rho _{v}\right)}{\rho _{v}^{2}}}\right]^{\frac {1}{4}}(1+\rho _{v}/\rho _{L})

Единицы: критический поток: кВт/м ²; h _fg : кДж/кг; σ: Н/м; ρ: кг/м ³; г: м/с ².

Оно не зависит от материала поверхности и слабо зависит от геометрии нагретой поверхности, описываемой константой C. Для больших горизонтальных цилиндров, сфер и больших конечных нагретых поверхностей значение постоянной Цубера $C={\frac {\pi }{24}}\approx 0.131$ . Для больших горизонтальных пластин значение $C\approx 0.149$ более подходит.

Критический тепловой поток сильно зависит от давления. При низких давлениях (в том числе атмосферном) зависимость от давления происходит главным образом за счет изменения плотности пара, приводящего к увеличению критического теплового потока с ростом давления. Однако, когда давление приближается к критическому давлению, и поверхностное натяжение, и теплота испарения стремятся к нулю, что делает их доминирующими источниками зависимости от давления. ^[7]

Для воды при давлении 1 атм приведенное выше уравнение рассчитывает критический тепловой поток примерно 1000 кВт/м. ².

См. также

Ссылки

^ Нукияма, С. (1934). «Снимайте кипяток на тонких проволоках». Соц. Мех. англ., Япония . 37 .
^ Кутателадзе, С.С. (1950). «Гидромеханическая модель кризиса кипения в условиях свободной конвекции». Журнал технической физики, СССР . 20 (11): 1389–1392.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Морс, RW; Морейра, штат Техас; Чан, Дж.; Дресслер, КМ; Рыбацкий, Г.; Херлберт, ET; МакКэрролл, LL; Неллис, Г.Ф.; Берсон, А. (01 октября 2021 г.). «Критический тепловой поток и высыхание пленки жидкости в вертикальном двухфазном кольцевом потоке» . Международный журнал тепломассообмена . 177 : 121487. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121487 . ISSN 0017-9310 .
^ «Выпуски Комиссии по ядерному регулированию. Том 47, номер 3» . 1 марта 1998 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Ю, Д., Фейерштейн, Ф., Кокерт, Л., и Ченг, X. (2018). Анализ и моделирование теплопереноса после высыхания в восходящем вертикальном потоке. Анналы ядерной энергетики, 115, 186–194.
^ Зубер, Новак (июнь 1959 г.). «Гидродинамические аспекты теплопередачи при кипении» . дои : 10.2172/4175511 . hdl : 2027/mdp.39015086433532 . Проверено 4 апреля 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ «Основы тепломассообмена, 6-е издание, Incropera». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Внешние ссылки

Моделирование кризиса кипения

Высыхание пленки вблизи критического теплового потока - видео

[1] Нукияма, С. (1934). «Снимайте кипяток на тонких проволоках». Соц. Мех. англ., Япония . 37 .

[2] Кутателадзе, С.С. (1950). «Гидромеханическая модель кризиса кипения в условиях свободной конвекции». Журнал технической физики, СССР . 20 (11): 1389–1392.

[:0-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Морс, RW; Морейра, штат Техас; Чан, Дж.; Дресслер, КМ; Рыбацкий, Г.; Херлберт, ET; МакКэрролл, LL; Неллис, Г.Ф.; Берсон, А. (01 октября 2021 г.). «Критический тепловой поток и высыхание пленки жидкости в вертикальном двухфазном кольцевом потоке» . Международный журнал тепломассообмена . 177 : 121487. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121487 . ISSN 0017-9310 .

[4] «Выпуски Комиссии по ядерному регулированию. Том 47, номер 3» . 1 марта 1998 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[5] Ю, Д., Фейерштейн, Ф., Кокерт, Л., и Ченг, X. (2018). Анализ и моделирование теплопереноса после высыхания в восходящем вертикальном потоке. Анналы ядерной энергетики, 115, 186–194.

[6] Зубер, Новак (июнь 1959 г.). «Гидродинамические аспекты теплопередачи при кипении» . дои : 10.2172/4175511 . hdl : 2027/mdp.39015086433532 . Проверено 4 апреля 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[7] «Основы тепломассообмена, 6-е издание, Incropera». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]