Критический тепловой поток ( CHF ) описывает тепловой предел явления, когда во время нагрева происходит фазовое изменение (например, образование пузырьков на металлической поверхности, используемой для нагрева воды ), что внезапно снижает эффективность теплопередачи , вызывая локальный перегрев поверхность нагрева.
Критический тепловой поток для воспламенения - это наименьшая тепловая нагрузка на единицу площади, способная инициировать реакцию горения на данном материале ( пламя или тлеющее зажигание).
Описание
Когда жидкий хладагент претерпевает изменение фазы из-за поглощения тепла от нагретой твердой поверхности, происходит более высокая скорость передачи . Более эффективная передача тепла от нагретой поверхности (в виде тепла испарения плюс явное тепло ) и движения пузырьков ( турбулентность и конвекция, вызываемые пузырьками ) приводят к быстрому перемешиванию жидкости . Таким образом, кипение передачи тепла играет важную роль в процессах промышленной теплопередачи , такие как макроскопические теплопередача теплообменники в ядерных и ископаемых энергетических установках, а также в микроскопических теплопередающих устройствах , такие как тепловые трубы и микроканалы для охлаждения электронных чипов .
Использование кипения ограничено условием, называемым критическим тепловым потоком (CHF) , которое также называется кризисом кипения или отклонением от пузырькового кипения (DNB). Наиболее серьезная проблема заключается в том, что ограничение кипения может быть напрямую связано с физическим выгоранием материалов нагретой поверхности из-за внезапно неэффективной передачи тепла через паровую пленку, образующуюся на поверхности в результате замены жидкости паром, прилегающим к поверхности. нагреваемая поверхность.
Следовательно, возникновение CHF сопровождается чрезмерным увеличением температуры поверхности для системы, контролируемой поверхностным тепловым потоком. В противном случае для системы с контролируемой температурой поверхности происходит чрезмерное уменьшение скорости теплопередачи. Это можно объяснить с помощью закона охлаждения Ньютона :
где представляет собой тепловой поток, представляет собой коэффициент теплопередачи , представляет температуру стенки и представляет температуру жидкости. Если значительно снижается из-за возникновения состояния ХСН, увеличится за фиксированный а также пока уменьшится на фиксированный .
Корреляции
Критический тепловой поток является важной точкой на кривой кипения, и может быть желательно запустить процесс кипения вблизи этой точки. Тем не менее, можно быть осторожным с рассеиванием тепла, превышающего это количество. Зубер [1] с помощью анализа гидродинамической устойчивости задачи разработал выражение для аппроксимации этой точки.
Единицы: критический поток: кВт / м 2 ; ч фг : кДж / кг; σ: Н / м; ρ: кг / м 3 ; г: м / с 2 .
Он 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 константы Цубера . Для больших горизонтальных пластин значение больше подходит.
Критический тепловой поток сильно зависит от давления. При низких давлениях (включая атмосферное давление) зависимость от давления в основном связана с изменением плотности пара, приводящим к увеличению критического теплового потока с увеличением давления. Однако, когда давление приближается к критическому, и поверхностное натяжение, и теплота парообразования сходятся к нулю, что делает их доминирующими источниками зависимости от давления. [2]
Для воды при давлении 1 атм приведенное выше уравнение рассчитывает критический тепловой поток примерно 1000 кВт / м 2 .
Применения в теплообмене
Понимание явления CHF и точное прогнозирование условий CHF важно для безопасного и экономичного проектирования многих теплообменных устройств, включая ядерные реакторы , котлы на ископаемом топливе , термоядерные реакторы , электронные микросхемы и т. мир со времен Нукиямы впервые охарактеризовал его. [3] В 1950 г. Кутателадзе предложил гидродинамическую теорию кризиса выгорания. [4] Большая часть значительных работ была проделана за последние десятилетия в области разработки ядерных реакторов с водяным охлаждением . Сейчас многие аспекты этого явления хорошо изучены, и доступно несколько надежных моделей прогнозирования для условий, представляющих общий интерес.
Терминология
Для обозначения состояния CHF используется ряд различных терминов: отклонение от пузырькового кипения (DNB), высыхание жидкой пленки (LFD), высыхание кольцевой пленки (AFD), высыхание (DO), выгорание (BO), кризис кипения (BC). , переход кипения (BT) и т. д. DNB, LFD и AFD представляют собой особые механизмы, которые будут представлены позже.
DO означает исчезновение жидкости на поверхности теплопередачи, что правильно описывает состояние CHF; однако он обычно используется для обозначения высыхания жидкой пленки из кольцевого потока . BO, BC и BT - имена, ориентированные на явления, и используются как общие термины. Условие CHF (или просто CHF) является наиболее широко используемым сегодня, хотя оно может ввести в заблуждение человека, полагая, что существует критичность теплового потока. Термины, обозначающие величину теплового потока при возникновении ХПН, - это СНФ, тепловой поток высыхания, тепловой поток выгорания, максимальный тепловой поток, тепловой поток DNB и т. Д.
Термин «пиковый тепловой поток при кипении в бассейне» также используется для обозначения CHF при кипении в бассейне.
Пост-CHF используется для обозначения общего ухудшения теплопередачи в процессе кипения в потоке, и жидкость может быть в форме диспергированных брызг капель, сплошного жидкого ядра или перехода между первыми двумя случаями. Последующее высыхание может быть специально использовано для обозначения ухудшения теплопередачи в состоянии, когда жидкость находится только в форме диспергированных капель, и обозначать другие случаи термином Post-DNB. [5]
Смотрите также
- Эффект Лейденфроста
- Ядерное кипение
Рекомендации
- ↑ Зубер, Новак (июнь 1959 г.). «Гидродинамические аспекты теплообмена при кипении» . Проверено 4 апреля 2016 года .
- ^ "Основы тепломассообмена 6-е издание от Incropera". Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Нукияма, С. (1934). «Пленка кипятка на тонких проволочках». Soc. Мех. Engng., Япония . 37 .
- ^ Кутателадзе, СС (1950). «Гидромеханическая модель кризиса кипения в условиях свободной конвекции». Журнал технической физики, СССР . 20 (11): 1389–1392.
- ^ Ю. Д., Фюрштайн, Ф., Koeckert, Л., и Ченг, Х. (2018). Анализ и моделирование теплопередачи после высыхания в восходящем вертикальном потоке. Анналы ядерной энергии, 115, 186-194.
Внешние ссылки
- Моделирование кризиса кипения