Ядерное кипение

редактировать

Ячеистое кипение - это тип кипения, которое происходит, когда температура поверхности на определенную величину выше температуры насыщенной жидкости, но когда тепловой поток ниже критического теплового потока. Для воды, как показано на графике ниже, пузырьковое кипение происходит, когда температура поверхности выше температуры насыщения (T S) на 10–30 ° C (18–54 ° F). Критический тепловой поток - это пик на кривой между пузырьковым кипением и переходным кипением. Передача тепла от поверхности к жидкости больше, чем при пленочном кипении.

Ядерное кипение является обычным явлением в электрочайниках и является причиной шума, возникающего до начала кипения. Это также происходит в водогрейных котлах, где вода быстро нагревается.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Механизм
2 Корреляции теплопередачи при кипении
3 Выход из пузырькового кипения
4 См. Также
5 ссылки

Механизм

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

В области пузырькового кипения можно выделить два различных режима. Когда разница температур составляет приблизительно от 4 до 10 ° C (от 7,2 до 18,0 ° F) выше T S, изолированные пузырьки образуются в местах зародышеобразования и отделяются от поверхности. Это разделение вызывает значительное перемешивание флюидов у поверхности, существенно увеличивая коэффициент конвективной теплопередачи и тепловой поток. В этом режиме большая часть теплопередачи происходит за счет прямой передачи от поверхности жидкости, движущейся на поверхности, а не через пузырьки пара, поднимающиеся с поверхности.

Между 10 и 30 ° C (18 и 54 ° F) выше T S может наблюдаться второй режим потока. По мере того как больше центров зародышеобразования становятся активными, повышенное образование пузырьков вызывает интерференцию пузырьков и коалесценцию. В этой области пар выходит в виде струй или столбов, которые впоследствии сливаются в сгустки 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 постоянное смачивание поверхности жидкостью для получения тепла от поверхности. Это вызывает уменьшение теплового потока после этого момента. В крайних случаях наблюдается пленочное кипение, известное как эффект Лейденфроста.

Кривая кипения воды при 1 атм.

Процесс образования пузырьков пара внутри жидкости в микрополостях, прилегающих к стенке, если температура стенки на поверхности теплопередачи поднимается выше температуры насыщения, в то время как основная часть жидкости ( теплообменник ) переохлаждена. Пузырьки растут, пока не достигнут критического размера, после чего они отделяются от стенки и уносятся в основной поток жидкости. Здесь пузырьки схлопываются, потому что температура основной жидкости не так высока, как на поверхности теплопередачи, где пузырьки были созданы. Это сжатие также является причиной звука, издаваемого котлом при нагревании, но до температуры, при которой достигается объемное кипение.

Теплообмен и массообмен при пузырьковом кипении оказывает значительное влияние на скорость теплопередачи. Этот процесс теплопередачи помогает быстро и эффективно отводить энергию, создаваемую на поверхности теплопередачи, и поэтому иногда желателен - например, на атомных электростанциях, где в качестве теплоносителя используется 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 хаоса в жидкости, не относящееся к классическим термодинамическим методам расчета, поэтому дающие неверные возвращаемые значения) и не имели предоставил убедительные результаты, чтобы разработать модели и корреляции. Явление пузырькового кипения все еще требует более глубокого понимания.

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,

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

Число Нуссельта определяется как,

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

где q / A - полный тепловой поток, - максимальный диаметр пузырька на выходе из поверхности, - избыточная температура, - теплопроводность жидкости и - число Прандтля жидкости. Пузыря число Рейнольдса, определяется как, ${\ displaystyle D_ {b}}$ $D_ {b}$ ${\ displaystyle {{T} _ {s}} - {{T} _ {sat}}}$ ${{T} _ {{s}}} - {{T} _ {{sat}}}$ ${\ displaystyle k_ {L}}$ $k_ {L}$ ${\ displaystyle Pr_ {L}}$ $Pr_ {L}$ ${\ displaystyle Re_ {b}}$ $Re_ {b}$

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

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

Розенов разработал первое и наиболее широко используемое соотношение для пузырькового кипения:

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

Где удельная теплоемкость жидкости. представляет собой комбинацию поверхностных флюидов и варьируется для различных комбинаций флюида и поверхности. - 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 a 0,006 и n = 1,0. ${\ displaystyle c_ {pL}}$ $c _ {{pL}}$ ${\ displaystyle C_ {sf}}$ $К _ {{sf}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\сигма$ ${\ displaystyle C_ {sf}}$ $К _ {{sf}}$

Значения для различных комбинаций поверхностных жидкостей ${\ displaystyle C_ {sf}}$ $К _ {{sf}}$
Комбинации поверхностных жидкостей	${\ displaystyle C_ {sf}}$ $К _ {{sf}}$
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
${\ displaystyle CCl_ {4}}$ $CCl_ {4}$ /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 тепловой поток кипящей системы выше, чем критический тепловой поток (CHF) системы, объем жидкости может закипать, или в некоторых случаях области объема жидкости могут закипать там, где жидкость движется по небольшим каналам. Таким образом образуются большие пузырьки, иногда блокирующие прохождение жидкости. Это приводит к отклонению от пузырькового кипения ( DNB), при 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. Предотвращение CHF - техническая проблема в приложениях теплопередачи, таких как ядерные реакторы, где твэлы не должны перегреваться. На практике DNB можно избежать, увеличивая давление жидкости, увеличивая ее скорость потока или используя объемную жидкость с более низкой температурой, 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 кипячения воды, как показано на графике, переход происходит кипение, когда разность температур между поверхностью и кипящей водой составляет приблизительно от 30 до 130 ° C ( от 54 до 234 ° F) выше T S. Это соответствует высокому пику 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, коэффициент конвективной теплопередачи и тепловой поток уменьшаются с увеличением разницы температур.

Смотрите также

использованная литература