CC BY
177
Вестник Челябинского государственного университета. 2013. № 25 (316).
Физика. Вып. 18. С. 48-51.
ТЕПЛОФИЗИКА
А. В. Колдин, Н. И. Платонов
ТЕПЛООБМЕН ПРИ СТРУЙНОМ ОХЛАЖДЕНИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Получено соотношение для определения локальной плотности теплового потока при охлаждении высокотемпературной поверхности жидкостной струей с учетом скорости ее натекания и диаметра в условиях переходного режима кипения жидкости. Это соотношение можно использовать для расчета теплообмена при струйном охлаждении горячекатаного листа .
Ключевые слова: струйное охлаждение, переходный режим кипения, пленочный режим кипения.
Одним из наиболее эффективных способов интенсификации теплообмена между твердой поверхностью и теплоносителем (жидкость или газ) является его подача в виде перпендикулярных к поверхности струй. Интенсивность теплообмена в области столкновения струи во многом определяется ее гидродинамическими параметрами как для струй газа, так и для жидкостных струй .
Конвективный теплообмен при натекании струи на плоскую поверхность исследовался во множестве работ, в которых содержатся аналитические решения и данные эксперимента. В этих работах рассматривается вязкое течение жидкости на поверхности стенки при небольших тепловых потоках. Задача значительно усложняется при больших тепловых нагрузках, когда происходит вскипание натекающей жидкости . Гидродинамика и теплообмен между поверхностью и свободной струей в условиях кипения зависят от множества факторов, которые сложно объединить в аналитическое уравнение, поэтому большинство работ связывают изучение этого процесса с экспериментальными методами
Известно, что при увеличении недогрева жидкости до температуры насыщения критическая плотность теплового потока при кипении большого объема жидкости возрастает и смещается в сторону большего температурного напора . То же происходит и с минимальной плотностью теплового потока. Подобные изменения кривой кипения характерны и для жидкости в области столкновения струи [1-3].
На рис . 1 представлена схема взаимодействия свободно падающей ламинарной струи жидкости с горячим горизонтальным листом
В работе [1] проведены эксперименты по охлаждению плиты из нержавеющей стали струей круглого сечения. На рис . 2б изображены экспериментальные кривые кипения в точке столкновения струи при различных значениях недогрева воды [1] Также замечено, что на интенсивность теплообмена влияет
скорость натекания струи (рис . 2а), но при этом она слабо влияет на температурный напор начала пленочного кипения по сравнению с недогревом .
Для режима пленочного кипения струи авторами работы [1] получено теоретическое соотношение для плотности теплового потока с поверхности плиты в интервале расстояний от г = 0 до D/2 при значительном недогреве жидкости до температуры насыщения (сплошные линии на рис . 2) . Однако вследствие возникающих колебаний толщины паровой пленки, которые не учтены в теоретическом анализе, экспериментальные значения теплового потока оказываются несколько выше предсказанных. С учетом поправочного коэффициента это соотношение было записано в виде
q * 2Яе//2 Рг//6(^X,АТшЬДТШ))12 / А (1) где Яе; = и^Ч, и ^ — скорость струи в критической точке (на оси струи), м/с; D — диаметр струи, м; V — коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с; Рг; — Число Прандтля жидкости; X, X — коэффициент теплопроводности жидкости и пара, Вт/м-К; ДГ^ — недогрев жидкости до температуры насыщения, °С; ДТш1 = Т — Тш,, Т — температура поверхности, °С; Тш — температура насыщения воды, °С . Это соотношение справедливо также при натекании плоской струи с заменой диаметр D на ширину струи .
При очень большом недогреве кривая теплообмена соответствует характеристикам переходного кипения вплоть до перегрева стенки в 900 °С (рис . 3) . При этом формируется очень тонкий и нестабильный слой пара, так что свежая натекающая жидкость частично соприкасается с горячей поверхностью Численные расчеты [1] показывают, что толщина слоя пара в этом случае может составлять 3-5 мкм .
В работе [3] проведены эксперименты по охлаждению стальной плиты круглой струей с недогревом 5-80 °С и скоростью натекания струи 2-7 м/с . Было установлено, что на теплоперенос при кипении сильно влияет недогрев воды до температуры насыщения . Увеличение недогрева
У
Рис . 1 . Схема взаимодействия струи с горизонтальным листом:
1 — струя жидкости; 2 — зона столкновения; 3 — зона пленочного кипения; 4 — металлический лист
б
Рис . 2 . Экспериментальные кривые кипения в точке столкновения струи [1] (D = 10 мм): а — недогрев 25 °С; б — скорость струи 3 м/с
к
Рис . 3. Теплообмен в точке столкновения при сильном недогреве воды [1]
воды сдвигает кривые кипения к большему тепловому потоку и большему перегреву стенки В этом случае пленочное кипение заканчивается при более высокой температуре стенки В результате интервал температуры, в котором происходит переходное кипение, становится шире, а пик кривой кипения более сглаженным В случае значительного недогрева (ДТ^ > 65 °С) никакого проявления пленочного кипения не происходит в данном интервале скоростей струи
На основе экспериментальных данных авторами [3] получено эмпирическое уравнение для минимума теплового потока с учетом влияния недогрева воды, скорости и диаметра сопла:
дтт = 3,18 • 105(1 + 0,3 83ДтЛ(о/0)0
(2)
При этом было принято, что скорость струи оказывает такое же влияние на а , как и обратная
-*тт’ г
величина диаметра сопла
Подобные эксперименты были проведены авторами работы [2] на медном цилиндре диаметром 1,5 мм с тонким платиновым покрытием при охлаждении плоской струей шириной 10 мм На основе экспериментальных данных авторами [2] получено выражение для нахождения плотности теплового потока на оси струи с учетом влияния скорости ее натекания:
а = А'9 . 66^106ДТ 0Д2(1 + 0,4и0-4) ккал/м2ч, (3)
1т ма^ к 7 1т ' 7 4 '
где А =
Чсг (Рт , ЬТиЬ ).
дсг (р ,85 °С)
— скорость натекания струи, м/с; дсг — критическая плотность теплового потока при кипении недогретой жидкости в свободном объеме (см . ниже), ккал/м2ч;
Р — давление в точке натекания на оси струи, Па
Критическая плотность теплового потока определялась следующим образом:
дсг = 0,16ур„
1 + 0,112 рі_ ^ 0,8 Л -о <3 Е-н* о 1,13 "
) 1 У )
ккал/м2ч, (4)
где у — теплота парообразования, ккал/кг;
а — коэффициент поверхностного натяжения, кг-с/м;
g — ускорение свободного падения, м/с2; р р, — плотность жидкости (воды) и пара соответственно, кг/м3;
с — удельная теплоемкость жидкости, ккал/(кг • К) .
Это выражение справедливо для переходного режима кипения под струей, учитывает скорость натекания струи и ее начальную температуру Однако тепловые потоки, рассчитанные по предлагаемому выражению, значительно превышают тепловые потоки, полученные в исследованиях других авторов по охлаждению пластин из стали [1; 3]. Различие в результатах очевидно связано с использованием авторами работы [2] пластины из другого материала — медного образца с платиновым покрытием Кроме того, в ряде работ отмечается влияние диаметра (ширины) струи на плотность теплового потока в критической точке струи . Такое влияние авторами [2] не исследовалось
Рис . 4 . Плотность теплового потока в критической точке струи по данным работ [1; 3]
и вычисленная по уравнению (5)
Несмотря на отсутствие экспериментальных данных о влиянии диаметра (ширины) натекающей струи на плотность теплового потока в условиях переходного кипения жидкости, в данной работе принято (по аналогии с пленочным кипением (1) и значением минимальной плотности теплового потока (2)), что диаметр оказывает такое же влияние как и обратная величина скорости На основе модели предложенной У Miyasaka [2], а также ряда экспериментальных работ [1; 3] по теплообмену в критической точке и предположении о влиянии диаметра струи получено следующее соотношение для локальной плотности теплового потока в зоне столкновения при охлаждении высокотемпературной поверхности из стали:
qm (r) = A - 8,67 -1Q7 АТ;а
1 + 0,4 1 ,4 o' S О
^ 1QQD J
A =
4cr (.^TSub )
qCr (80 °CV
(5)
где г — расстояние от оси круглой струи или от центральной плоскости для плоской струи;
ит(г) — вертикальная составляющая скорости струи в зоне столкновения;
О — диаметр круглой струи или ширина для плоской струи;
дсг — критическая плотность теплового потока при кипении недогретой жидкости в свободном объеме (определяется уравнением (4))
Полученное выражение хорошо согласуется с экспериментальными данными различных авторов по теплообмену в критический точке струй разного диаметра и скорости натекания (рис 4)
Струйное охлаждение высокотемпературной поверхности струями холодной воды часто встречается в промышленности, в частности, в прокатном производстве горячекатаного листа . С использованием уравнения (5) рассчитан теплообмен при охлаждении движущегося горячего металлического листа струйной системой действующего стана горячей прокатки [4-6], что позволило сформулировать рекомендации по ее совершенствованию .
Список литературы
1. Liu, Z . -H . Study on film boiling heat transfer for water jet impinging on high temperature flat plate / Z . -H . Liu, J . Wang // Int . J . of Heat and Mass Transfer. 2001. Vol . 44 . P. 2475-2481.
2 . Miyasaka, Y. Critical heat flux and subcooled nucleate boiling in transient region between a two-dimensional water jet and a heated surface / Y Miyasa-ka, S . Inada // J. of chem . engineering of Japan . 1980. Vol . 13, № 1. P. 29-35.
3 . Ochi, T. Cooling of a hot plate with an impinging circular water jet / T. Ochi, S . Nakanishi, M . Kaji at el . // Multi-phase flow and heat transfer III . Part A . Amsterdam, 1984. P. 671-681.
4. Колдин А. В . Теплообмен при струйном охлаждении движущегося металлического листа : автореф . дис . ... канд. техн. наук Екатеринбург, 2012 .
5 . Колдин, А . В . Исследование теплообмена в поверхностном слое металла при натекании жидкой струи / А . В . Колдин, Н . И . Платонов // Теплоэнергетика. 2008 . № 3. 2008 . С . 37-40.
6 Колдин, А В Исследование теплообмена в подвижном металлическом листе при струйном охлаждении / А .В . Колдин, Н . И . Платонов, В . П. Семенов // Вестн Челяб . гос . ун-та. 2008 . № 25. Физика . Вып . 3. С . 60-67.
