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

Подождите немного. Документ загружается.

дующем загрублении поверхности (степень зернистости абразива

100 показатель степени уменьшался и был близок к единице.

Очевидно, следует предположить, что наклон кривых кипения за-

висит не только от среднеквадратичной характеристики шероховатости

поверхности, т. е. от глубины впадин и высоты выступов, но также от

геометрической формы впадин и, что еще более существенно, характе-

ра их распределения по поверхности нагрева.

[283]

1-- [т]

Кг

г ч- 6 8

Ю^

Вт/м^

Рис. 1-!5. Изменение показателя степени п в выражении при изменении сред-

неквадратичной шероховатости поверхности

Рис. 1-16. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока и

шероховатости поверхности (кипение азота на позолоченной медной трубке с(=70 мм,

поверхность полированная, вертикальная ориентация, р=1-105 Па) Г4б4].

I — Й^=0,05-ь0,1 мкм; 2 — 0,25—0,4 мкм; 3 — 0,4—0,5 мкм; 4 — 0,6—0,75 мкм.

Тангенсы угла наклона для кривых кипения, полученных при

уменьшении плотности теплового потока, более устойчивы к изменению

поверхностных условий, а их абсолютная величина заметно ниже, чем

у кривых, когда тепловая нагрузка возрастает. На рис. 1-15 приведена

зависимость изменения показателя степени п от величины среднеквад-

ратичной шероховатости поверхности для кривых кипения гелия, полу-

ченных на меди (чистотой 99,999%) при снижении тепловой нагрузки

[283]. Эта зависимость достаточно удовлетворительно согласуется

с экспериментальными данными авторов работы [403], а также

с [283, 364].

При увеличении шероховатости перегрев стенки при развитом пу-

зырьковом кипении, как правило, уменьшается. На рис. 1-16 приведены

данные Лайона [404] по кипению азота при атмосферном давлении на

вертикальном позолоченном цилиндре из меди диаметром 70 мм, по-

верхность которого обрабатывалась с различной степенью чистоты.

Снижеиие интенсивности теплоотдачи при уменьшении степени

шероховатости теплоотдающей поверхности отмечается также в работе

[60], авторы которой исследовали кипение азота на поверхности мед-

ных и мельхиоровых трубок, нагрев которых осуществлялся пропуска-

нием через них электрического тока.

В ряде случаев сдвиг кривой кипения в сторону больших перегре-

вов, обусловленный изменением шероховатости поверхности нагрева,

может привести к существенной трансформации характера кривой ки-

пения. Так, нами было обнаружено вырождение зоны пузырькового

кипения гелия (рис. 1-17) на поверхности из нержавеющей стали, обра-

ботанной по 10-му классу чистоты. Опытные данные получены в усло-

виях атмосферного давления на торцевой поверхности цилиндрическо-

го стержня диаметром 8 мм при электрическом обогреве. Отмеченный

эффект, очевидно, можно объяснить весьма малой разностью между

температурой закипания на поверхности из нержавеющей стали и тем-

пературой предельного перегрева для жидкого гелия, когда режим сво-

бодной конвекции переходит непосредственно в режим переходного и

пленочного кипения. В § 1-3 будет показано, что при кипении криоген-

Вф^

70»

Ю'

10'

о»

(

•

0-3

6>-5 -

О-б

^ :

(

6 ^^^^^

1' •

0-3

6>-5 -

О-б

1 '

1 ^

1' •

•

1—^ к-

0-3

6>-5 -

О-б

1' •

•

0-3

6>-5 -

О-б

1' •

0-3

6>-5 -

О-б

1 I

лт

^ е 10'' г ч- в 1 2 б Ю 2 6 Ю^ К

Рис. 1-17. Влияние шероховатости теплоотдающей поверхности на теплоотдачу при

кипении гелия (торец стержня из нержавеющей стали й—Ь мм, горизонтальная ори-

ентация, р=Ы05 Па). Данные авторов.

Электрический обогрев: /—^^-=6.5 мкм; 2 — 0,7 мкм; нестационарное охлаждение: 3 —Д^-б.й мкк;

4 — 0,7 мкм; 5 и е соответствуют кризисам кипения; — началу кипения.

Рис. 1-18. Влияние размеров полости на закипание и кривую пузырькового кипения

азота (торец медного стержня (^=25,4 мм, поверхость зеркально полированная, гори-

зонтальная ориентация, р=1-10^ Па) [123].

/ — без полостей; г — одна полость: ^-0,38 мм, 1=0,95 мм; 3 — одна полость: й-0,П мм, г-0,28 мм,.

^ — одна коническая полость с диаметром основания 0,5Ь мм и мм.

ных жидкостей температура закипания на поверхности нагрева в зна-

чительной степени определяется теплофизическими свойствами мате-

риала, на котором осуществляется кипение.

В [123, 506] изучалось влияние отдельных рисок, цилиндрических

или конических полостей на интенсивность теплоотдачи прн пузырько-

вом кипении жидкостей, причем, как отмечают авторы, интенсифика-

ция процесса имеет место не только при увеличении количества впадин

и рисок, но и при увеличении их геометрических размеров. На рис. 1-18

представлены данные Марто, Маулсона и Мейнарда [123], показы-

вающие влияние размера полости на кривую пузырькового кипения

азота и точку начала кипения. Необходимо отметить, что, несмотря на

довольно внушительные размеры полостей, они устойчиво генерировали

пузыри.

к числу факторов, характеризующих теплоотдающую способность

поверхности нагрева, наряду с распределением впадин по размерам

следует отнести форму впадин, зависящую от способа обработки теп-

лоотдающей поверхности [77, 283, 445]. В работе [283] отмечается, что

при исследовании кипения гелия на притертой торцевой поверхности

медного стержня был зафиксирован меньший «гистерезис», кипение

начиналось при более низких температурных напорах. Авторы [283] со

ссылкой на работу [124, 125] объясняют указанные обстоятельства

Мини/1 отсчета

тл ^

> _„ ^

X ^

1 Средняя линия

Рис. 1-19. Элемент теплоотдающей поверхности.

тем, что на притертых поверхностях нагрева впадины, как правило,

имеют вид почти закрытых 'полостей и являются, таким образом, более

эффективными центрами парообразования, чем открытые впадины на

поверхностях, подвергнутых шлифовке.

Данные многочисленных экспериментов различных авторов пока-

зывают, что изменение шероховатости теплоотдающей поверхности мо-

жет привести к изменению коэффициента теплоотдачи в 5—10 раз и

более. Поэтому задача получения соотношений для расчета теплоот-

дачи при кипении, учитывающих фактор шероховатости, является весь-

ма важной. Соотношения, предложенные разными авторами для рас-

чета интенсивности теплоотдачи, можно условно подразделить на две

группы. В соотношениях первой группы делается попытка связать

коэффициент теплоотдачи с характеристиками поверхности нагрева.

Например, в работе [427] предложено соотношение (1-4), позволяющее,

по мнению авторов, учитывать степень шероховатости греющей по-

верхности:

(1-4)

где — некоторый параметр поверхности, определяемый как

(1-5)

Смысл параметров /, уи х ясен из рис. 1-19.

Уравнение (1-4), проверенное при кипении воды в условиях сво-

бодной и вынужденной конвекции и хладоагента ЯП при свободной

конвекции [427], сопоставлено на рис. 1-20 с опытными данными по

кипению азота [144, 404]. Однако, несмотря на вполне удовлетвори-

тельное согласование экспериментальных данных с расчетными, подоб-

ный подход к оценке влияния шероховатости, с нашей точки зрения,

вряд ли перспективен в связи с тем, что он не содержит физических

представлений о механизме пузырькового кипения на поверхности на-

грева.

Более физически обоснованной представляется попытка авторов

работ [389, 399, 423, 491] получить уравнения для расчета интенсивно-

сти теплоотдачи, включающие в себя некоторые постоянные, которые

отражают влияние шероховатости и могут быть определены экспери-

ментальным путем. Так, Майкик и Розеноу [423] пытаются учесть

влияние характера обработки, выразив его количественно. В основу

своих предпосылок авторы [423] положили механизм теплоотдачи,

предложенный Хэном и Гриффисом [337], согласно которому передача

втПм^-Ю

в вЮ^ м

Рис. 1-20. Сопоставление данных расчета по уравнению (1-4) с опытными данными

по кипению азота (р=1-10^ Па).

Данные работы [404] (условия проведения опытов см. на рис. 1-16): /——(9,2-г 18) • 10-» м;

г - (4,6^-6,9) • 10-' м; 3 - (6,9-5-9,2) • 10-' м; 4— (1,1-н1,4) • 10-« м.

Данные авторов (торец стержня из нержавеющей стали, бронзы, латуни и меди й—10 мм, гори-

зонтальная ориентация): 5, б, 7,

9 • 10-«-г1,8 • 10-5 м.

теплоты от поверхности нагрева происходит двумя путями: переносом

теплоты путем свободной конвекции от участков поверхности, не заня-

тых паровыми пузырями, и переносом теплоты за счет выталкивания

пузырьками пара порций перегретого слоя жидкости в верхние холод-

ные слои жидкости. Приняв, что при развитом пузырьковом кипении

соседние пузыри не влияют друг на друга и вся подводимая теплота

практически снимается за счет вытеснения порций перегретого слоя

жидкости, авторы получили следующую зависимость для плотности

теплового потока при'кипении:

д=^2у7у}17/ \/^^\^Тп, (1-6)

где плотность центров парообразования п связана с радиусом активной

впадины соотношением: п—

Уравнение (1-6) требует знания закона распределения впадин по

поверхности нагрева. Для этого необходимо экспериментальным путем

определить зависимость /(АГ) при одном из давлений « затем вы-

числить показатель степени т для конкретной пары: поверхность —

жидкость. В дальнейшем, использование полученного значения т дает

возможность применить уравнение (1-6) для расчета интенсивности

теплообмена для других давлений.

Курихара и Майер [396], Тиен [506], Линард [399] в своих урав-

нениях косвенно учитывают степень шероховатости, вводя в них число

активных центров п, приходящихся на единицу поверхности нагрева.

Значение п необходимо определять для каждой греющей поверхности

экспериментально. Анализ попыток различных авторов тем или иным

способом учесть в расчетных соотношениях поверхностные условия по-

зволяет сделать вывод, что эта проблема в настоящее время еще не

решена. В связи с этим весьма важными представляются полученные

нами экспериментальные данные.

2Л

1Чак уже отмечалось, увеличение шероховатости приводит к сме-

щению кривой кипения в область малых температурных напоров. Вме-

сте с тем подобное смещение происходит лишь до некоторого предела,

соответствующего обработке теплоотдающей поверхности по 6—7-му

классам чистоты по ГОСТ 2789-59 (средняя высота микронеровностей

Яг равна приблизительно 5—10 мкм). Поверхности, имеющие такую

обработку, называют техническими поверхностями. Дальнейшее за-

грубление теплоотдающей поверхности не изменяет положения и на-

ВтУ

10-

Ю'

•

. 1

•

ио

•

••

•

•в

>-7 -

(

>-7 -

•

>-7 -

•

АГ

В 10

г ч- 8 8 7/' к

Рис. 1-21. Зависимость интенсивности теплоотдачи от шероховатости поверхности на-

грева при кипении азота в пленке (торец стержня й(=5 и 10 мм, горизонтальная ори-

ентация, р=ЫО' Па).

Данные авторов: 1, З — Я^—5 мкм; 2, 4 — мкм; срыв пленки (кризис кипения на

образцах <^-10 мм).

Рис. 1-22. Зависимость интенсивности теплоотдачи от шероховатости поверхности на-

грева при кипении гелия (торец медного стержня {^—8 мм, горизонтальная ориента-

ция, р=М05 Па).

Данные авторов: I, 2, 3 — соответственно 1; 5; 10 мкм.

клона кривых кипения криогенных [35, 39, 330, 331] и обычных [4]

жидкостей. На рис. 1-21 и 1-22 приведены данные по кипению азота

в пленке при атмосферном давлении на торцах медного стержня и

стержня из нержавеющей стали диаметрами 5 и 10 мм [330] и гелия

в большом объеме на торце медного стержня диаметром 8 мм [39, 331],

поверхности которых обработаны с различной степенью чистоты (ре-

зультаты получены при увеличении теплового потока). Начиная с неко-

торого момента последующее загрубление поверхности не приводит

к изменению интенсивности теплоотдачи в связи с тем, что загрубление,

вероятно, не ведет к заметному изменению распределения впадин по

размерам.

Отмеченное обстоятельство представляет определенный интерес не

только для изучения физики кипения, но и для практики, так как это

позволяет преодолеть ряд трудностей при учете фактора шероховатости

в расчетных соотношениях для теплоотдачи.

Действительно, если к чистоте обработки поверхности нагрева по

условиям технологии не предъявляются жесткие требования, то исполь-

зование технических поверхностей', т. е. обработанных не лучше 6—7-го

классов чистоты, позволяет применять для расчета интенсивности теп-

лоотдачи соотношения, полученные в результате обобщения опытных

данных по теплоотдаче при кипении на грубообработанных поверхно-

стях.

В подавляющем большинстве известных нам экспериментальных

работ влияние шероховатости на величину первой критической плотно-

сти теплового потока ^кр! не обнаружено, а температурный напор, соот-

ветствующий первому кризису кипения, как правило, возрастает с умень-

шением шероховатости [123, 235, 404]. Исключение составляют работа

[445] и наши опытные данные [39, 331]. При исследовании пузырьково-

го кипения азота на поверхностях из позолоченной меди и серебра

в [445] зафиксирован рост дкрг и АГкр! с увеличением шероховатости.

В этих опытах экспериментальные образцы подвергались различной ме-

ханической обработке, окислению, химическому и электрохимическому

травлению и электрополированию. При кипении гелия на торце медного

стержня [39, 331] увеличение шероховатости приблизительно от 1 до

10 мкм приводило к снижению величины первой критической плотности

теплового потока примерно на 60% (см. рис. 1-22).

1-3. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА

Анализ литературных источников показывает, что к настоящему

времени накоплен значительный фактический материал, свидетель-

ствующий о заметном влиянии свойств материала теплоотдающей по-

верхности на перенос теплоты при пузырьковом кипении жидкостей.

Ниже будет показано, что это влияние особенно существенно при кипе-

нии криогенных жидкостей.

Одним из первых экспериментальных исследований, специально по-

священных изучению влияния свойств материала поверхности нагрева на

интенсивность теплоотдачи при кипении, следует считать работу [468],

опубликованную в 1938 г.

В течение последующих трех десятилетий исследователи неодно-

кратно обращались к изучению данного вопроса (см., например, [1, 3,

7, 29, 53, 161, 163, 232, 236, 250, 420]. Однако ни в одной из опублико-

ванных работ не были четко выявлены закономерности влияния свойств

материала на теплоотдачу при кипении и не было приведено сколько-

нибудь убедительных объяснений этого явления.

Большинство исследователей, рассматривая пузырьковое кипение обычных жидко-

стей, считают, что теплофизические свойства материала поверхности нагрева влияют на

теплоотдачу, но расходятся во мнении относительно его механизма. Ряд авторов

[3, 7, 32, 33, 65, 204] связывают это влияние с особенностями физико-химического

взаимодействия контактирующих сред на поверхности нагрева. Эти особенности каса-

ются, во-первых, микроструктуры греющей поверхности, которая при одной и той же

механической обработке может быть неодинаковой у различных материалов, во вто-

' Как показано, например, в [105], для технических поверхностей нагрева харак-

терен квадратичный закон распределения впадин по размерам, что в большинстве слу-

чаев подтверждается на практике [58, 319, 389].

рых — уровня смачивания, который зависит от таких трудно поддающихся строгому

учету факторов, как различные загрязнения поверхности нагрева, время ее приработ-

ки, наличие оксидных пленок, остаточных механических напряжений и т. д. Нельзя не

признать, что тот и другой фактор должны оказывать определенное влияние на про-

цесс зарождения и роста паровых пузырей, а следовательно, и на интенсивность тепло-

отдачи. Однако ни в одной из работ не приводятся убедительные количественные

оценки этих эффектов, что обусловлено наличием целого ряда причин вероятностного

характера, способных в значительной степени изменять как форму и размеры микро-

шероховатости поверхности нагрева, так и краевой угол 0. Поэтому вряд ли можно

признать обоснованным объяснение влияния материала поверхности нагрева на интен-

сивность кипения только лишь различием в поверхностных условиях.

Ряд исследователей [1, 29, 53, 198, 481] придерживаются иной точки зрения на

маханизм влияния материала греющей поверхности, полагая, что определяющую роль

играют теплофизические свойства материала. Слабым местом экспериментальных работ,

результаты которых обычно используются для доказательства правомерности такого

подхода, является отсутствие твердых гарантий полной идентичности поверхностных

условий для нагревательных элементов, изготовленных из различных материалов.

Исключением можно признать работы [30, 32, 33, 198] и работы авторов настоя-

щей монографии [4, 71], в которых, как нам представляется, удалось добиться по-

добной идентичности поверхностных условий и показать заметную зависимость интен-

сивности теплоотдачи при кипении дистиллированной воды и этилового спирта от теп-

лофизических свойств материала поверхности нагрева. И все же следует отметить, что

эта зависимость при кипении жидкостей очень часто оказывается в значительной мере

•смазанной, а иногда и искаженной из-за изменения поверхностных условий.

Следовательно, исключительный интерес должны представлять ра-

боты по аналогичной тематике для криогенных жидкостей. Как изве-

стно, каких-либо принципиальных отличий между кипением обычных и

криогенных жидкостей не существует. Тем не менее при кипении крио-

генных жидкостей достаточно просто провести «чистый» эксперимент

для выяснения вопроса о влиянии теплофизнческих свойств материала

поверхности нагрева на интенсивность теплоотдачи. Дело в том, -что

из-за высокой степени смачиваемости, характерной для криогенных

жидкостей, вне зависимости от состояния поверхности нагрева влияние

краевого угла в на интенсивность теплоотдачи практически отсутствует.

Зависимость интенсивности теплоотдачи от свойств греющей поверхно-

сти при кипении азота на зеркально полированных торцах медного и

никелевого стержней диаметром 25,4 мм обнаружили Марто, Маулсон и

Мейнард [123]. Более высокие коэффициенты теплоотдачи, полученные

при кипении на медной поверхности нагрева (рис. 1-23), они объясняют

«лучшими тепловыми свойствами меди». Интересно, что авторы, по-ви-

димому, одни из первых обнаружили зависимость температуры начала

кипения от свойств материала поверхности нагрева. На рис. 1-23 точки

начала кипения отмечены стрелками.

Более низкие температуры закипания азо-

та и водорода на образцах из меди по сравне-

нию с образцами из нержавеющей стали полу-

чены в [92, 142]. В работе [142] исследова-

лось пузырьковое кипение азота на торцевой

поверхности стержней диаметром 25 мм на

начальном отрезке кривой кипения, когда па-

ровые пузыри образуются только на опреде-

Вт/м-

10-

Рис, 1-23. Зависимость интенсивности теплоотдачи от

материала поверхности нагрева при кипении азота (то-

рец стержня й(=25,4 мм, зеркально полированная об-

работка, горизонтальная ориентация, р=1-10® Па)

[123].

— медь; 2 — нержавеющая сталь.

•

)

•

№

—

•

0-1

лт

8 10

ленных, четко ограниченных участках поверхности нагрева. Размер

«пятен», генерирующих паровые пузыри, увеличивался с ростом тепло-

вого потока до тех пор, пока они не покрывали всю поверхность нагре-

ва. Характерно, что во всех опытах при одинаковых тепловых потоках

стабильные «пятна» кипения на поверхности из нержавеющей стали име-

ли существенно меньший размер, чем на поверхности из меди. Более

того, чтобы «пятна» кипения на образце из нержавеющей стали могли

распространяться на всю поверхность нагрева, требовался значительно

больший тепловой поток, чем на образце из меди.

Особый интерес к вопросу о влиянии свойств материала поверхно-

сти нагрева на теплоотдачу при кипении стал проявляться в связи с раз-

работкой сверхпроводящих систем различного назначения. В частности,

попытки использовать алюминий высокой чистоты в качестве покрытия

для тепловой стабилизации сверхпроводников (см., например, [475])

потребовали изучения интенсивности теплоотдачи при пузырьковом ки-

пении гелия на поверхности этого материала. Джергель и Стивенсон

[368, 369] приводят сравнение интенсивности теплоотдачи при кипении

гелия на поверхностях нагрева, изготовленных из меди марки ОРНС и

алюминия марки А1-59 (чистотой 99,999%), а в [367] — на поверхностях

из алюминия марок А1-59 и А1-6 (чистотой 99,9999%). Эксперименталь-

ные результаты [367—369] позволяют заключить, что интенсивность

теплоотдачи при кипении на поверхности из меди выше, чем на поверх-

ности из алюминия марки А1-59. Однако с увеличением чистоты метал-

ла

теплоотдача с поверхности А1-69 становится более интенсивной, чем

теплоотдача с поверхности, изготовленной из меди, во всем интервале

исследованных тепловых нагрузок.

Аналогичные исследования, проведенные Л. Б. Динабургом [51]

с целью сравнения теплоотдающей способности алюминия и меди, пока-

зали, что при кипении гелия и неона во всем интервале тепловых пото-

ков интенсивность теплоотдачи на поверхности из меди ниже, чем на

алюминиевой поверхности нагрева. Величина первой критической плот-

ности теплового потока не зависела от материала поверхности нагрева.

Якоб, рассматривая процесс нестационарной теплопроводности

в твердом теле, показал [364], что интенсивность теплоотдачи при пу-

зырьковом кипении жидкостей, наряду с другими факторами, зависит от

комплекса Хер для материала поверхности нагрева, а также от тол-

щины образца, на котором осуществляется кипение. Величина макси-

мальной плотности теплового потока при кипении, по мнению Якоба,

также зависит от Я, с и р. Эта зависимость имеет вид:

= (1-7)

где параметр /* является сложной функцией теплофизических свойств

материала поверхности нагрева, толщины образца и частоты образова-

ния пузырей.

Аналогичной точки зрения придерживаются и авторы работы [92],

посвященной исследованию кипения водорода на различных поверхно-

стях нагрева. Они считают, что «для сравнения поведения нескольких

поверхностей нагрева одной и той же системы кипения» можно исполь-

зовать параметр, представляющий собой произведение теплопроводно-

сти, плотности и удельной теплоемкости.

' Как известно, в области гелиевых температур даже незначительные при.чеси мо-

существенно снизить коэффициент теплопроводности металлов. Так, по данным

)и 59 теплопроводности А1-69 выше коэффициента теплопроводности

Зависимость первой критической плотности теплового потока от

теплофизических свойств материала поверхности при кипении гелия изу-

чалась Камингсом и Смитом [283]. Исследования проводились на гори-

зонтальном диске диаметром 15,25 мм, изготовленном из меди высокой

чистоты (99,99%), латуни, олова и нержавеющей стали. Результаты

исследования сведены в табл. 1-3.

Первая критическая плотность теплового потока при кипении

гелия на поверхностях из различных материалов

Таблица 1-3

Материал образца

а 10-',

'кр! '

Вт/м>

Материал образца

'КРГ'О-*-

Вт/м>

Медь

Олово

1,17

0,86

Латунь

Нержавеющая сталь

0,80

0,76

ВтУ

хю*

1,0

0,9

• 0,8

99,9.9 %С\1

В этой же работе проведено весьма интересное исследование влия-

ния толщины покрытия на величину первой критической плотности теп-

лового потока, когда на поверхность из электролитической меди чисто-

той 99,999% наносился слой олова, толщина!

которого изменялась от опыта к опыту. Ре-'

зультаты этих исследований представлены

на рис. 1-24. Постоянство при толщине

покрытия большей, чем 15 мм, объясняется,

очевидно, тем, что при таких толщинах

влияние медной подложки исчезает пол-

ностью и составной образец начинает вести

себя как чистое олово.

Вопрос о влиянии покрытий на интен-

сивность теплоотдачи будет более подробно

рассмотрен нами в § 1-4. Здесь же отметим

работу Эффресона [293], в которой иссле-

довалась теплоотдача при кипении гелия на

поверхности трубки из нержавеющей стали

и стеклянной трубки, покрытой тонким

(20 мкм) слоем меди. Нагрев осуществлял-

ся пропусканием через металл электриче-

ского тока. Интенсивность теплоотдачи при кипении на трубке из нер-

жавеющей стали оказалась несколько выще, чем на медной, так как

в последнем случае толщина медного покрытия была столь мала, что

главную роль сыграла, по-видимому, подложка из стекла, коэффициент

теплопроводности которого в области гелиевых температур в несколько

раз ниже коэффициента теплопроводности нержавеющей стали.

Изучая влияние комплекса Кяср материала поверхности нагрева на

интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей, авто-

ры [237, 515] поставили перед собой задачу исследовать влияние коэф-

фициента теплопроводности Я на процесс теплоотдачи при кипении. При

этом с помощью нейтронного облучения исследуемого образца достига-

лось изменение коэффициента теплопроводности % металла при неиз-

менных значениях теплоемкости с и плотности р. В качестве материала

экспериментального образца использовалась медь высокой (99,999%)

чистоты, причем при увеличении интенсивности и времени облучения

Рис. 1-24. Влияние толщины

покрытия из олова на величи-

ну первой критической плотно-

сти теплового потока при ки-

пении гелия (подложка — то-

рец медного стержня) [283].

(начение коэффициента теплопроводности а следовательно, и величи-

1а комплекса У^Хср падала. В работе [237] показано, что уменьшение

;оэффициента теплопроводности медного образца после его нейтронно-

о облучения приводило к некоторому ухудшению теплоотдачи при ки-

гении жидкого гелия и весьма незначительному снижению величины

1ервой критической плотности теплового потока. Уменьшение величины

/Лср приблизительно в 5 раз снижало величину ^кр1 по данным [237]

шшь на 5%.

Согласно опытным данным [89], полученным на торцах вертикаль-

10 расположенных стержней, изготовленных из различных металлов,

ючка первого кризиса при уменьшении комплекса У^Яср теплофизиче-

;ких свойств материала поверхности нагрева смещается в область более

зысоких температурных напоров, причем величина (7кр1 уменьшается:

1ЛЯ азота первые критические плотности тепловых потоков на поверхно-

стях из меди и нержавеющей стали относятся приблизительно как

1,4:1, для гелия — как 19:1. Качественно совпадающие эксперимен-

тальные результаты, отражающие зависимость величины от тепло-

})изических свойств материала поверхности нагрева при кипении азота

яа вертикальных трубках, представлены и автором [88]. Следует отме-

сить, что подобная зависимость величины от теплофизических

:войств материала греющей поверхности не может быть объяснена

^ рамках существующих теорий первого кризиса кипения.

Заметное расслоение опытных данных по теплоотдаче при кипении

азота и гелия на поверхностях нагрева, выполненных нз различных ме-

галлов или имеющих различные покрытия, отмечается также Лайоном

? сотрудниками [403, 407].

Авторамп настоящей монографии было проведено комплексное изу-

чение вопроса о влиянии свойств материала поверхности нагрева на ин-

генсивность теплоотдачи и некоторые внутренние характеристики про-

цесса пузырькового кипения наиболее распространенных криогенных

жидкостей (азот, кислород, водород и гелий). Подход к анализу меха-

низма пузырькового кипения жидкостей с позиций микрослоевого испа-

рения в паровой пузырь дает убедительные основания полагать, что

важнейшие характеристики процесса пузырькового кипения должны

существенным образом зависеть от теплофизических свойств материала

поверхности нагрева, на которой происходит кипение.

Действительно, температурные флуктуации поверхности нагрева под

растущими паровыми пузырями (см. § 2-2) связаны с отбором теплоты

от греющей поверхности в процессе роста паровых пузырей. При этом

тепловые потоки, снимаемые единичными паровыми пузырями за время

их роста, практически на порядок выше значений среднего (по поверх-

ности) теплового потока. Таким образом, представляется вполне обосно-

ванным вывод о том, что паровой пузырь в процессе своего роста отби-

рает от поверхности нагрева не только подводимую теплоту, но и

теплоту, аккумулированную материалом поверхности. Количество акку-

мулированной теплоты и возможность ее отдачи растущему паровому

пузырю зависят от теплофизических свойств материала и размеров, на-

пример), толщины поверхности нагрева. Отмеченные положения позволя-

ют полагать, что основные внутренние характеристики процесса пузырь-

кового кипения (скорость роста, плотность центров парообразования,

отрывные диаметры), а следовательно, и интенсивность теплоотдачи при

кипении должны определенным образом зависеть от теплофизических

свойств материала поверхности нагрева. При этом для криогенных