Ядерное кипение - Nucleate boiling

Ядерное кипение это тип кипячение это происходит, когда температура поверхности выше, чем температура насыщенной жидкости на определенную величину, но когда поток горячего воздуха ниже критический тепловой поток. Для воды, как показано на графике ниже, пузырьковое кипение происходит, когда температура поверхности выше, чем температура насыщения (Т_S) на величину от 10 ° C (18 ° F) до 30 ° C (54 ° F). Критический тепловой поток - это пик на кривой между пузырьковым кипением и переходным кипением. Передача тепла от поверхности к жидкости больше, чем у пленочное кипячение.

Механизм

Поведение воды на горячей плите. График показывает зависимость теплопередачи (потока) от температуры (в градусах Цельсия) выше T_S, то температура насыщения воды, 100 ° C (212 ° F).

В области пузырькового кипения можно выделить два различных режима. Когда разница температур составляет примерно от 4 ° C (7,2 ° F) до 10 ° C (18 ° F) выше T_S, отдельные пузыри образуются на зарождение сайтов и отделить от поверхности. Это разделение приводит к значительному перемешиванию флюидов вблизи поверхности, существенно увеличивая конвективную коэффициент теплопередачи и тепловой поток. В этом режиме большая часть теплопередачи происходит за счет прямой передачи от поверхности жидкости, движущейся на поверхности, а не через пар пузыри поднимаются с поверхности.

Между 10 ° C (18 ° F) и 30 ° C (54 ° F) выше T_Sможет наблюдаться второй режим течения. Чем больше центров зародышеобразования становятся активными, тем выше образование пузырьков пузырь интерференция и коалесценция. В этой области пар выходит в виде струй или столбов, которые впоследствии сливаются в скопления пара.

Интерференция между густонаселенными пузырьками препятствует движению жидкости у поверхности. Это наблюдается на графике как изменение направления градиента кривой или перегиб кривой кипения. После этого момента коэффициент теплопередачи начинает уменьшаться по мере дальнейшего увеличения температуры поверхности, хотя произведение коэффициента теплопередачи и разницы температур (тепловой поток) все еще увеличивается.

Когда относительное увеличение разницы температур уравновешивается относительным уменьшением коэффициента теплопередачи, достигается максимальный тепловой поток, что видно по пику на графике. Это критический тепловой поток. В этот момент в максимуме образуется значительное количество пара, что затрудняет непрерывное увлажнение поверхности жидкостью для получения тепла от поверхности. Это приводит к уменьшению теплового потока после этого момента. В крайних случаях пленочное кипение, широко известное как Эффект Лейденфроста наблюдается.

Кривая кипения воды при 1 атм.

Процесс формирования пар пузыри в жидкость в микрополостях, прилегающих к стене, если температура стены на теплопередача поверхность поднимается над температура насыщения а основная часть жидкости (теплообменник ) является переохлажденный. Пузырьки растут, пока не достигнут критического размера, после чего они отделяются от стенки и переносятся в основную зону. жидкость транслировать. Здесь пузырьки схлопываются, потому что температура основной жидкости не так высока, как на поверхности теплопередачи, где пузырьки были созданы. Это схлопывание также отвечает за звук, издаваемый котлом при нагревании, но до температуры, при которой достигается объемное кипение.

Теплопередача и массообмен во время пузырькового кипения оказывает существенное влияние на скорость теплопередачи. Этот процесс теплопередачи помогает быстро и эффективно уносить энергия создается на поверхности теплопередачи и поэтому иногда желательно - например, в атомная электростанция, где жидкость используется как охлаждающая жидкость.

Эффекты пузырькового кипения проявляются в двух местах:

• граница раздела жидкость-стенка
• граница раздела пузырь-жидкость

Процесс пузырькового кипения имеет сложную природу. Ограниченное количество экспериментальных исследований предоставило ценную информацию о явлениях кипения, однако эти исследования часто давали противоречивые данные из-за внутреннего пересчета (состояние хаос в жидкости, не относящейся к классической термодинамический методы расчета, поэтому дают неправильные возвращаемые значения) и еще не предоставили убедительных результатов для разработки моделей и корреляций. Явление пузырькового кипения все еще требует большего понимания.^[1]

Корреляции теплопередачи при кипении

Режим пузырькового кипения важен для инженеров из-за высоких тепловых потоков, возможных при умеренных перепадах температур. Данные могут быть соотнесены с помощью уравнения вида,^[2]

${displaystyle N{{u}_{b}}={{C}_{fc}}left(R{{e}_{b}},P{{r}_{L}}ight)}$

Число Нуссельта определяется как,

${displaystyle N{{u}_{b}}={frac {left({frac {q}{A}}ight){{D}_{b}}}{left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}ight){{k}_{L}}}}}$

где q / A - полный тепловой поток, ${displaystyle D_{b}}$ максимальный диаметр пузыря на выходе из поверхности, ${displaystyle {{T}_{s}}-{{T}_{sat}}}$ это превышение температуры, ${displaystyle k_{L}}$ это теплопроводность жидкости и ${displaystyle Pr_{L}}$ это Число Прандтля жидкости. Пузырь Число Рейнольдса, ${displaystyle Re_{b}}$ определяется как,

${displaystyle R{{e}_{b}}={frac {{{D}_{b}}{{G}_{b}}}{{mu }_{L}}}}$

Где ${displaystyle G_{b}}$ - средняя массовая скорость пара, покидающего поверхность, и ${displaystyle {{mu }_{L}}}$ это жидкость вязкость.

Розенов разработал первое и наиболее широко используемое соотношение для пузырькового кипения:^[3]

${displaystyle {frac {q}{A}}={{mu }_{L}}{{h}_{fg}}{{left[{frac {gleft({{ho }_{L}}-{{ho }_{v}}ight)}{sigma }}ight]}^{{}^{1}!!diagup !!{}_{2};}}{{left[{frac {{{c}_{pL}}left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}ight)}{{{C}_{sf}}{{h}_{fg}}Pr_{L}^{n}}}ight]}^{3};}}$

Где ${displaystyle c_{pL}}$ - удельная теплоемкость жидкости. ${displaystyle C_{sf}}$ представляет собой комбинацию поверхностных жидкостей и различаются для различных комбинаций жидкости и поверхности. ${displaystyle sigma }$ - поверхностное натяжение границы раздела жидкость-пар. Переменная n зависит от комбинации поверхностных флюидов и обычно имеет значение 1,0 или 1,7. Например, вода и никель имеют ${displaystyle C_{sf}}$ 0,006 и n 1,0.

Ценности ${displaystyle C_{sf}}$ для различных комбинаций поверхностных жидкостей^[3]

Комбинации поверхностных жидкостей	${displaystyle C_{sf}}$
Вода / медь	0.013
Вода / никель	0.006
Вода / платина	0.013
Вода / латунь	0.006
Вода / нержавеющая сталь, механическая полировка	0.0132
Вода / нержавеющая сталь, химическое травление	0.0133
Вода / нержавеющая сталь, шлифованная и полированная	0.0080
${displaystyle CCl_{4}}$/медь	0.013
Бензол / хром	0.0101
н-пентан / хром	0.015
Этиловый спирт / хром	0.0027
Изопропиловый спирт / медь	0.0025
н-Бутиловый спирт / медь	0.003

Выход из пузырькового кипения

Если поток горячего воздуха кипящей системы выше, чем критический тепловой поток (CHF) системы основная жидкость может закипеть или, в некоторых случаях, регионы основной части жидкости может закипать там, где жидкость движется по маленьким каналам. Таким образом образуются большие пузырьки, иногда блокирующие прохождение жидкости. Это приводит к отклонение от пузырькового кипения (DNB), в котором пузырьки пара больше не отрываются от твердой поверхности канала, пузырьки доминируют в канале или поверхности, а тепловой поток резко уменьшается. Пар по существу изолирует объем жидкости от горячей поверхности.

Следовательно, во время DNB температура поверхности должна значительно превышать температуру жидкости в объеме, чтобы поддерживать высокий тепловой поток. Избегать CHF - это инженерная проблема в приложениях теплопередачи, таких как ядерные реакторы, где топливные пластины не должны перегреваться. На практике DNB можно избежать, увеличив давление жидкости, увеличивая ее скорость потока или путем использования более низкотемпературной основной жидкости, которая имеет более высокую CHF. Однако, если основная температура жидкости слишком низкая или давление жидкости слишком высокое, пузырьковое кипение невозможно.

DNB также известен как переходное кипение, нестабильное пленочное кипение, и частичное пленочное кипение. Для кипения воды, как показано на графике, переходное кипение происходит, когда разница температур между поверхностью и кипящей водой составляет примерно от 30 ° C (54 ° F) до 120 ° C (220 ° F) выше T_S. Это соответствует высокому и низкому пику на кривой кипения. Нижняя точка между переходным кипением и пленочным кипением - это Точка Лейденфроста.

Во время переходного кипения воды образование пузырьков происходит настолько быстро, что на поверхности начинает образовываться паровая пленка или одеяло. Однако в любой точке поверхности условия могут колебаться между пленочным и пузырьковым кипением, но доля общей поверхности, покрытой пленкой, увеличивается с увеличением разницы температур. Поскольку теплопроводность пара намного меньше, чем у жидкости, конвективная коэффициент теплопередачи и тепловой поток уменьшается с увеличением разницы температур.

Смотрите также

• Кипячение
• Кавитация
• Химическая инженерия
• Физика жидкости
• Теплопередача
• Эффект Лейденфроста
• Сонолюминесценция

Рекомендации

1. "Теплообмен при ядерном кипении в условиях пониженной силы тяжести", Д-р Дэвид Ф. Чао и д-р Мохаммад М. Хасан, Управление наук о жизни и микрогравитации и приложений, НАСА.
2. "Incropera, Франк. Основы тепломассообмена, 6-е издание. Джон Уайли и сыновья, 2011".
3. Джеймс Р. Велти; Чарльз Э. Уикс; Роберт Э. Уилсон; Грегори Л. Роррер, "Основы переноса количества движения, тепла и массы", 5-е издание, John Wiley and Sons