АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ
Анализ данных по теплообмену при испарении жидкости, приведенных на фиг. 5 и 6, показывает, что в отличие от кипения в большом объеме коэффициент теплоотдачи остается приблизительно постоянным для всех значений тепловых потоков ниже критических. Эго указывает на то, что механизм переноса тепла определяется теплопроводностью через тонкую пленку жидкости в слое примерно постоянной толщины, которая удерживается за счет действия капиллярных сил, возникающих в пористом материале на границе раздела жидкость — пар в пределах первого слоя частиц на поверхности нагрева.
Ни опытные данные, ни визуальные наблюдения не обнаружили существования процесса пузырькового кипения.
Среднее значение коэффициента теплоотдачи вычисляется по формуле
что должно соответствовать на фиг. 6 и 7 прямой с наклоном, равным 1.
Полученные результаты можно объяснить, анализируя последовательность процессов, происходящих при подводе тепла к поверхности нагрева. Следующее обсуждение и предложенная модель основаны на рассмотрении слоя, состоящего из сферических шариков. При низком уровне тепловых потоков перенос тепла от поверхности стенки осуществляется за счет теплопроводности и свободной конвекции. По мере увеличения теплового потока жидкость и шарики, находящиеся в контакте с поверхностью стенки, становятся перегретыми, т. е. значение температуры превышает температуру насыщения системы. При дальнейшем увеличении теплового потока перегрев слоя жидкости и шариков достигает такого значения, при котором образуется граница раздела жидкость— пар. Наиболее вероятным местом для образования этой границы раздела фаз является минимальный диаметр псры, образованный слоем шариков, находящихся в контакте с поверхностью стенки. Тепловой поток, передаваемый от поверхности стенки, проходит через слой жидкость — шарики к поверхности парообразования, находящейся у минимального диаметра поры в первом слое шариков. Тем самым все тепло, проходящее через поверхность стенки, идет на испарение жидкости. Приток жидкости к поверхности нагрева происходит через полости в слое шариков и носит ламинарный характер в отличие от турбулентного конвективного потока жидкости, вызываемого отрывом пузырьков пара при кипении в условиях большого объема. Затрудненность течения, обусловленного пористостью материала, приводит к образованию относительно неподвижного слоя жидкости на обогреваемой поверхности. Этот жидкий слой непрерывно получает новые порции жидкости за счет насосного действия капиллярных сил, что компенсирует расход жидкости за счет испарения. В работе Чэнга [2] показано, что действие капиллярных сил не зависит от процесса испарения, происходящего на границе раздела жидкость — пар. Поэтому расчет движущего напора может быть проведен на основе экспериментальных данных по капиллярному подъему жидкости путем учета влияния изменения температуры на коэффициент поверхностного натяжения и плотность.
На основе предложенного механизма процесса с помощью численных методов была решена трехмерная задача теплопроводности для следующих условий:
1. Тепло передается за счет теплопроводности через тонкий слой жидкость — шарики, находящийся в контакте с обогреваемой поверхностью. Толщина слоя жидкости определяется положением минимального диаметра поры в конфигурации шариков.
2. Испарение происходит у минимального диаметра поры, причем все тепло, проходящее через слой жидкость — шарики, идет на испарение жидкости.
3. Минимальный диаметр поры может быть определен путем измерения равновесной высоты капиллярного поднятия.
4. Поверхность раздела фаз, с которой происходит испарение жидкости, может характеризоваться только одним радиусом кривизны.
5. Температура поверхности испарения соответствует давлению насыщения в системе.
6. Единичная ячейка шариков, находящихся в контакте с обогреваемой поверхностью, соответствует кубической решетке.
7. Температура поверхности стенки постоянна по всей поверхности.
Схемы расположения шариков, соответствующие рассмотренным выше условиям, приведены на фиг. 9 и 10. Единственная трудность, возникавшая при получении численных решений, состояла в правильном прослеживании положения границ раздела фаз между металлом, жидкостью и паром.
Поскольку частицы, используемые в настоящей работе, имели форму, отличную от идеальной сферы, степень контакта каждой частицы с поверхностью неизвестна. Расчеты были проведены для постоянных площадей контактов между частицами и поверхностью, изменявшихся от точечного контакта до величины, составлявшей 5% общей поверхности. Зависимость от степени контакта в указанном диапазоне контактных поверхностей оказалась не очень существенной, однако она вносит в результаты неопределенность. Результирующее значение для среднего коэффициента теплоотдачи, рассчитанного для площади контакта между частицами и поверхностью, равной 2,48% (среднее значение в выбранном диапазоне)
Результаты расчета по уравнению (9) наряду с экспериментальными данными приведены на фиг. 5 и 6. Учитывая допущения, сделанные при анализе, и вероятную погрешность опытных данных при очень низких значениях (Ts — TBic), совпадение расчетных и экспериментальных данных следует признать превосходным, что убедительно свидетельствует о принципиальной правильности предложенного механизма процесса теплообмена.
