Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей

Подождите немного. Документ загружается.

в. А. ГРИГОРЬЕВ,

Ю. М. ПАВЛОВ,

Е В. АМЕТИСТОВ

КИПЕНИЕ

КРИОГЕННЫХ

ЖИДКОСТЕЙ

Под редакцией Д. А. ЛАБУНЦОВА

МОСКВА «ЭНЕРГИЯ» 1977

у л к 536.483

Кипение криогенных жидкостей. Григорьев В. А.,

Павлов Ю. М., Аметистов Е. В. М., «Энергия»,

1977.

288 с. с ил.

Книга охватывает широкий круг вопросов, связанных с тепло-

обменом при кипении криогенных жидкостей. Сопоставлены и систе-

матизированы теоретические и экспериментальные данные. Приведен I

анализ внутренних характеристик кипения, предложены физические |

модели и приближенные теории теплообмена для различных режимов I

кипения, даны практические рекомендации для инженерных расчетов. 1

Книга предназначена для научных работников и инженеров, за- I

нимающих'ся проектированием криогенного оборудования и исследова- '

нием происходящих в нем процессов.

Библиограф.: с. 269—288 (515 назв.).

Валентин Александрович Григорьев

Юрий Михайлович Павлов

Евгений Викторович Аметистов

КИПЕНИЕ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Редактор В. А. Андрианова

Редактор издательства М. И. Кузнецова

Переплет художника Я. Т. Ярешко

Художественный редактор Т. Н. Хромова

Технический редактор М. П. Осипова

Корректор 3. Б. Драновская

ИБ № 1290

Сдано в набор 23/У 1977 г. Подписано к печати 25/Х1 1977 г.

Т-04327 Фярмат 70Х100'/1в Бумага типографская № 1

Усл. печ. л. 23,4 Уч.-изд. л. 23,94

Тираж 3000 экз. Зак. 183 Цена 2 р. 60 к.

Издательство «Энергия», Москва, М-1'14, Шлюзовая наб., 10

Московская типография № 10 Союзполиграфпрома

при Государственном комитете Совета Министров СССР

по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.

30302-569

051(01)-77 © Издательство «Энергия», 1977

предисловие

«Планомерное развитие науки» и «неустанное

внедрение результатов научных исследований в на-

родное хозяйство и другие сферы жизни» — эти

строки из статьи новой Конституции СССР, приня-

той на внеочередной седьмой сессии Верховного

Совета СССР, наиболее ярко отражают ту органи-

ческую связь науки и техники, которую обеспечи-

вает наше государство, претворяя в жизнь полити-

ку наращивания и эффективного использования

научно-технического потенциала страны.

Достаточно убедительным подтверждением этих

строк статьи Основного Закона может служить раз-

витие криогеники — одной из самых молодых инаи-

|более интенсивно развивающихся областей науки

и техники. К^иогеника как наука энергично про-

никает сейчас в энергетику, электротехнику, атом-

ную энергетику, вычислительную технику, приборо-

строение, космическую технику, медицину и т. д.

Развитие криогенной техники естественно пред-

полагает расщирение и углубление научных иссле-

дований в области низких температур, в том числе

в области тепло- и массообмена при фазовых пре-

вращениях. В частности, значительный интерес при-

обретает исследование закономерностей теплообме-

на при кипении криогенных жидкостей с целью

оптимизации процессов охлаждения (захолажива-

ния) различного криогенного оборудования, а так-

же для поддержания на заданном температурном

уровне тепловыделяющих элементов криогенных

систем. При этом особое значение приобретают за-

дачи интенсификации теплообмена при кипении

криогенных жидкостей.

Авторы поставили перед собой задачу анализа,

систематизации и обобщения работ, опубликован-

ных в основном за последние два десятилетия в со-

ветской и зарубежной периодике и посвященных

экспериментальному и теоретическому изучению

интенсивности теплообмена при кипении криоген-

ных жидкостей во всех трех областях: пузырько-

вой, переходной и пленочной.

В монографию включены полученные авторами

результаты экспериментальных и теоретических ис-

следований кипения криогенных жидкостей, а так-

же представления и концепции, сложившиеся за

последние 10 лет в коллективе, возглавляемом

одним из авторов настоящей работы доктором техн.

наук профессором В. А. Григорьевым.

в отечественной литературе практически отсут-

ствуют работы, обобщающие результаты исследо-

ваний по теплообмену с Не-11. Опубликованные

зарубежные обзоры по данному вопросу, за исклю-

чением раздела, содержащегося в работе Дж. Клар-

ка [85], не известны широкому кругу читателей.

Принимая это во внимание, авторы сочли целесо-

образным включить в монографию небольшой раз-

дел, посвященный некоторым аспектам теплообме-

на с сверхтекучим гелием.

Авторы пользуются случаем выразить свою бла-

годарность сотрудникам кафедры криогенной тех-

ники Московского ордена Ленина энергетического

института кандидатам техн. наук А. В. Клименко и

В. В. Клименко за большую помощь в работе над

книгой. Глубокую признательность авторы выража-

ют доктору техн. наук проф. Д. А. Лабунцову за

постоянное внимание и поддержку, которые он на

протяжении многих лет оказывал авторам настоя-

щей работы и идеи которого во многом способство-

вали появлению этой книги.

Авторы заранее признательны тем читателям,

которые пришлют свои замечания и Йожелания по

улучшению содержания книги по адресу: 113114,

Москва, М-114, Шлюзовая набережная, 10, изда-

тельство «Энергия».

Авторы

Основные обозначения

Т— абсолютная температура, К;

р— давление, Па;

АТ— температурный напор. К;

^ — тепловой поток, Вт;

д— плотность теплового потока, Вт/м^;

д* — критическая (максимальная) плотность теплового

потока в Не-П, Вт/м^;

АТ* — температурный напор, соответствующий д*. К;

д*ияя—минимальная плотность теплового потока в Не-П,

Вт/;м2;

а—коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^-К);

%— коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

с — удельная теплоемкость, Дж / (кг

•

К);

^н — нормальное ускорение свободного падения, м/с^;

§—ускорение системы, м/с^;

р—плотность, кг/м^;

а— коэффициент температуропроводности, м^/с;

V—кинематический коэффициент вязкости, м^/с;

1]—динамический коэффициент вязкости. Па-с;

{Г— коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

—

теплота испарения, Дж/кг;

= ^+ эффективная теплота испарения, Дж/кг;

в— краевой угол смачивания, град;

вв-- динамический краевой угол, град;

р—коэффициент объемного расширения, К"';

/— частота отрыва паровых пузырей, 1/с;

т— время, с;

п— плотность центров парообразования, м-^;

Ф — функция ошибок; ф*г=1—ф;

—среднеквадратичная шероховатость (средняя высо-

та микронеровностей), мкм;

N—число паровых пузырей, принятых к статистической

обработке;

й, О — диаметр, м;

г, Я — радиус, м;

Оо— отрывной диаметр парового пузыря, м;

Ь, I, Н— характерный размер, м;

ш—скорость, м/с;

бп.л— толшина пластины, м;

V— объем, м®;

Р— площадь поверхности, м^;

^а = - число Якоба;

Во

Оа:

ОГ:

На

т1

— число Рейнольдса;

а,

— число

Прандтля;

ах

— число

Фурье;

о/

~ А

— число Био;

— число

Бонда;

— число Галилея;

__ йРДП'

— число

Грасгофа;

V г

/с'рДТ-

а Ср&Т

— модифицированное число Релея.

Индексы

5— на линии насыщения;

ш — стенка;

кр — критический;

кр1 — относящийся к первому кризису кипения;

кр2 — относящийся ко второму кризису кипения;

зк— относящийся к моменту закипания;

т.т — тройная точка;

п.п — предельный перегрев;

" — относящийся к пару;

'— относящийся к жидкости.

Теплофизические константы без индекса относятся к твердому телу.

Остальные обозначения поясняются в тексте.

Введение

Процесс кипения жидкостей, используемый в различных областях

техники, как один из способов высокоинтенсивного отвода теплоты, уже

более четырех десятилетий привлекает пристальное внимание исследова-

телей. Развитие ракетно-космической и криогенной техники послужило

толчком к изучению процесса кипения криогенных жидкостей, который

отличается рядом специфических особенностей и может быть выделен

в самостоятельный раздел теплопередачи.

Теплофизические свойства криогенных жидкостей принципиально не

отличаются от свойств обычных' жидкостей, хотя и имеют некоторые

особенности. К числу этих особенностей следует отнести: чрезвычайно

высокую (в ряде случаев абсолютную) смачиваемость любых известных

материалов, характеризуемую краевым углом смачивания в; весьма

низкие температуры кипения Гк и критические температуры Тщ, и, сле-

довательно, сравнительно малый диапазон температур между Гкр и Тк,

а также малую теплоту испарения г. В табл. В-1 для сравнения приве-

дены значения Гк, Ткр, г и в для воды и некоторых криогенных жидко-

стей.

Та блица В-1

Температура кипения, критическая температура, теплота испарения

и краевой угол смачивания воды и некоторых криогенных жидкостей]

Жидкость

г,, К

г, кДж/кг

0»

Вода

Кисчород

Азот

Водород

Гелий

373,15

90,19

77,36

20,38

4,2

647,27

154,6

126,2

33,2

5,2

2257,2

213

200

452

20,3

45—62 [7]

1,5—7,0 213]

7,0—15,1 213

0 321

Низкий температурный уровень, на котором происходит передача

теплоты, как будет показано в дальнейшем, также накладывает опре-

деленный отпечаток на процесс теплоотдачи криогенных жидкостей.

Режимы кипения принято характеризовать зависимостью плотности

теплового потока д, снимаемого жидкостью с поверхности нагрева, от

температурного напора АГ —разности температур поверхности нагрева

/го и насыщения жидкости Т^ при заданном давлении. Кривая д=1{АТ)

носит название кривой кипения. Вид кривой кипения, представленной на

рис. В-1 в логарифмических координатах, характерен для всех изве-

стных жидкостей, включая криогенные.

Анализ кривой кипения в широком интервале изменения темпера-

туры теплоотдающей поверхности позволяет выделить три основные

области.

^ Термин «обычные жидкости» в дальнейшем будет употребляться авторами лишь

в смысле «нбкриогенные»

г ^.^..жг.та липения, участок АН, характеризует-

ся увеличением числа действующих центров парообразования с увеличе-

нием температурного напора ДГ. При этом с ростом АГ интенсивность

теплоотдачи повышается, растет плотность теплового потока, снимаемая

кипящей жидкостью с поверхности нагрева.

Гертнер [29], основываясь на детальном кинематографическом исследовании, вы-

деляет в пузырьковой области четыре зоны:

1) зона изолированных пузырей, когда расстояние между действующими центрами

парообразования значительно больше диа-

метра растущих на поверхности паровых

пузырей;

2) зона, характеризуемая тем, что в

активных центрах парообразования вместо

отдельных пузырей возникают непрерывные

цепочки — столбики пара;

3) зона, Б которой паровые столбики,

сливаясь друг с другом, образуют крупные

паровые конгломераты, названные Гертнером

«паровыми грибами»;

4) зона, начало которой фиксируется

по заметному излому кривой кипения, ха-

рактеризуемому скачкообразным уменьше-

нием производной Лд1ЛАТ\ снижение интен-

сивности теплоотдачи в этой зоне происхо-

дит, очевидно, за счет появления на поверх-

ности очагов пленочного кипения.

Пузырька дое

калении ,

Переходное

кипение

Пленочное

, кипение

:» 1

* »

ц&т

Рис. В-1. Характерная кривая кипения.

При определенной температуре поверхности, соответствующей

ДГкрь плотность теплового потока достигает максимума, а при дальней-

шем увеличении температуры поверхности начинает уменьшаться.

Максимальную плотность теплового потока при пузырьковом кипении

называют первой критической плотностью теплового потока и обозна-

чают ^крь Точка В на кривой кипения получила название первого кри-

зиса кипения. При ЛГ>ДГкр1 наступает область переходного режима

кипения, характерной особенностью которого является непрерывное

слияние паровых пузырей и образование локальных паровых пленок

или пятен. Вследствие ухудшения теплоотдачи от поверхности к пару

уменьшается плотность теплового потока, а следовательно, и коэффи-

циент теплоотдачи. При дальнейшем увеличении ЛГ число паровых

пятен и их размеры непрерывно растут, и при некоторой температуре,

называемой АГкрг, образуется сплошная паровая пленка, полностью

отделяющая жидкость от поверхности нагрева. Наступает пленочный

режим кипения. Плотность теплового потока, соответствующая началу

пленочного кипения, называется минимальной или второй критической

плотностью теплового потока ^крг- Точка С на кривой кипения получила

название второго кризиса кипения.

При увеличении АГ в режиме пленочного кипения паровая пленка

на поверхности нагрева утолщается и перенос теплоты от поверхности

нагрева к жидкости в этом режиме осуществляется в основном за счет

теплопроводности и излучения через паровую пленку.

Режим пузырькового кипения несмотря на то, что он может суще-

ствовать в сравнительно узкой области температурных напоров, являет-

ся наиболее часто встречающимся в промышленных криогенных аппара-

тах видом кипения. При малых температурных напорах пузырьковое

кипение сменяется конвекцией, при высоких — наступает кризис кипения.

Теплообмен при пузырьковом кипении жидкостей, являясь одним из

наиболее эффективных способов отвода теплоты, позволяющим снимать

большие тепловые нагрузки при сравнительно небольших температур-

ных напорах и расходах теплоносителя, служит объектом изучения

большого числа исследователей и научных коллективов как в нашей

стране, так и за рубежом. Однако, несмотря на большое число опубли-

кованных экспериментальных и теоретических исследований, посвящен-

ных изучению как общих закономерностей, так и механизма процесса

пузырькового кипения, в настоящее время все еще отсутствует доста-

точно строгая количественная теория процесса и в ряде случаев не

выяснены даже некоторые его закономерности.

Режим переходного кипения, охватывающий область температурных

напоров от ДГкр! до АГкрг, является наименее изученной областью кипе-

ния, долгое время не представлявшей практического интереса.

Устойчивое существование переходного режима кипения на практи-

ке возможно лишь в случаях, когда независимой переменной является

температура поверхности Ту,- До последнего времени единственной

областью практического использования этого режима являлась метал-

лургия, а точнее, процессы закалки изделий, когда при охлаждении

имеют место все три режима кипения: пленочный, переходный и пузырь-

ковый.

С развитием криогенной техники и широким применением криоген-

ных жидкостей, в частности, криогенного топлива в ракетной и косми-

ческой технике, вопросы захолаживания стали играть значительную

роль. Как известно, при этом диапазон изменения температуры стенки

охлаждаемого объекта весьма велик — от температуры окружающей

среды, значительно превышающей критическую температуру криоген-

ных жидкостей, до температуры самой жидкости. В связи с этим воз-

никла практическая необходимость в расчете интенсивности теплоотда-

чи в режиме переходного кипения.

Изучение режима пленочного кипения представляет значительный

интерес как для проектирования криогенных аппаратов (испарителей,

газификаторов и т. п.), в которых процесс пленочного кипения является

основным технологическим процессом, так и для процессов захолажива-

ния криогенного оборудования (магистралей, емкостей, элементов кон-

струкций и т. п.), поскольку при охлаждении объектов жидким криоген-

том режим пленочного кипения составляет иногда 80—90% всего

времени охлаждения. Поэтому вопросы интенсификации теплообмена

в области пленочного кипения в настоящее время становятся весьма

актуальными.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ

Глава первая

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ

Пузырьковое кипение жидкостей является весьма сложным процес-

сом, существенную роль в котором играют теплофизические свойства

кипящей жидкости, физико-химические и теплофизические свойства по-

верхности нагрева, на которой зарождаются и растут пузыри пара.

Сложность взаимодействия трех различных фаз создает большие

трудности 'При составлении физически правильной модели процесса и ее

математическом описании. Установить закономерности процесса кипе-

ния— значит, найти связь между свойствами кипящей жидкости, харак-

теристиками поверхности нагрева, режимными параметрами и внутрен-

ними характеристиками процесса кипения, такими как скорость за-

рождения и роста паровых пузырей, их размеры и число. При этом

экспериментальные и теоретические данные о зарождении, росте и от-

рыве паровых пузырей от поверхности нагрева позволяют глубже понять

как сам механизм пузырькового кипения, так и общие закономерности

процесса теплоотдачи при кипении.

К числу основных факторов, определяющих закономерности тепло-

отдачи при пузырьковом кипении, следует отнести теплофизические

свойства жидкости, давление, теплофизические и физико-хихмические

свойства поверхности теплообмена, способы организации процесса и не-

которые другие.

Рассмотрим эти факторы.

1-1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ДАВЛЕНИЕ

Одним из отличительных свойств криогенных жидкостей, как уже

отмечалось, является хорошее смачивание ими твердых поверхностей,

что определяет самопроизвольное растекание жидкости тонким слоем по

поверхности твердого тела. Краевой угол смачивания для таких жидко-

стей по данным ряда исследователей равен или близок нулю. Так, по

данным работы [321] краевой угол смачивания водородом поверхностей

из нержавеющей стали, инконеля, титана, алюминия, тефлона близок

к нулю градусов и не зависит от величины поверхностной энергии твер-

дого тела. Например, для нержавеющей стали поверхностная энергия

/^=1,5 Дж/м2, для тефлона — 0,027 Дж/м2 [322]. Измерения краевого

угла смачивания в [321] проводились методом погружения пластин

в жидкий водород с точностью 0,5°.