Пористого материала

Эти издания существенно расширены. В них наряду с результатами, появившимися в печати и полученными в исследованиях авторами в самые последние годы, включены также некоторые новые разделы: «Гидродинамика барботажного слоя при падении давления», «Гидродинамика и теплообмен в жидких пленках», «Кипение на поверхностях с капиллярно-пористыми покрытиями», «Влияние неравномерности обогрева на критические тепловые потоки» и др.

§ 7.4. Кипение на поверхностях с пористыми покрытиями

Наиболее эффективным к надежным способом интенсификации теплообмена при кипении является применение пористых металлических покрытий. При этом пористая структура образуется либо в результате покрытия поверхности трубы тонкими металлическими сетками, либо нанесением на нее металлического порошка определенной зернистости. При этом образуется пористый слой с разветвленной системой сообщающихся между собой капиллярных каналов, через которые происходят эвакуация пара и подпитка пористой структуры жидкостью, подтекающей сюда под действием сил поверхностного натяжения. Кипение происходит как внутри пористого покрытия, так и на его поверхности. Высокая интенсивность теплообмена свидетельствует о том, что пористая структура создает весьма благоприятные условия для зарождения и роста паровых пузырей. Например, авторы работы [137] указывают, что при кипении н-бутана (р=1,27-105 Па) на гладкой трубе образование паровых пузырей по всей ее поверхности наблюдалось только при д = 35 кВт/м2, а на трубе с пористым покрытием вся поверхность трубы была занята паровыми пузырями уже при q=l,5 кВт/м2. Эти и многие другие опыты показали, что устойчивое развитое кипение на поверхностях с пористыми покрытиями устанавливается при весьма незначительных температурных напорах (перегревах жидкости). Основной причиной этого является'то, что в данном случае поверхности раздела фаз возникают внутри пористого слоя [54, 130, 146]. При выбросе паровой фазы из пористой структуры в последней всегда остаются паровые включения, в которые испаряется тонкая пленка жидкости, обволакивающая стенки капиллярных каналов [54, 130]. В соответствии с моделью автора [146] испарение микропленки происходит по всей поверхности капиллярного канала, высота которого равна толщине пористого покрытия. Таким образом, элементы пористой структуры сами являются центрами зарождения паровой фазы. Так как диаметр капиллярных каналов (Ю-4—10~5 м) больше критического диаметра обычного центра парообразования, то испарение пленки в паровые включения или с поверхности капилляра требует значительно меньшего перегрева жидкости. Не менее важное значение имеет и то, что в пористой структуре перегрев поступающей в капилляры жидкости происходит в условиях весьма высокой интенсивности теплообмена. Действительно, при таких малых диаметрах капилляров движение жидкости в них всегда ламинарное. В этом случае значение коэффициента теплоотдачи определяется из условия (ad) /K = 3,65. При диаметре капилляров 10~4—10~5 м значение а получается равным 5-Ю3—5-Ю4 Вт/(м2-К). В условиях сильно развитой поверхности пористого слоя только за счет подогрева жидкости можно отводить от стенки весьма большие тепловые потоки. Снижение необходимого перегрева, а также интенсивный подогрев жидкости существенно уменьшают время «молчания» центров парообразования, что также способствует интенсификации теплообмена на трубах с пористыми структурами.

сребренной трубах и трубах с пористыми покрытиями:

При кипении хладагентов на трубах с пористыми покрытиями примеси масла снижают значение коэффициента теплоотдачи в той же мере, что и при кипении на гладких трубах.

Для расчета интенсивности теплообмена при кипении на тепло-отдающих поверхностях с пористыми покрытиями предложен ряд формул, полученных либо теоретическим путем, либо на основе теории подобия. Из формул первого типа можно отметить полуэмпири-"ческие зависимости авторов [130, 146], при выводе которых использованы весьма сходные между собой физические модели. В обоих случаях стенки капиллярных каналов рассматриваются в виде ребер, на поверхности которых испаряется пленка жидкости. Жидкость .подсасывается в капилляры под действием сил поверхностного натяжения. Эти формулы качественно правильно отражают закономерности рассматриваемого явления, однако рассчитать по ним интенсивность теплообмена достаточно сложно. Это связано с трудностями, взоникающими при определении эффективной теплопроводности пористого слоя ЯЭф. Авторы [130, 146], сопоставляя полученные ими формулы с опытными данными, не приводят зависимости, использованные для расчета ХЭф в тех или иных конкретных условиях проведения опытов. Между тем очевидно, что значение 1Эф зависит как от характера пористого покрытия, так и от технологии его нанесения. Этим, по-видимому, объясняется, что эмпирические коэффициенты формул авторов [130, 146], подобранные на «сновании опытов одного исследователя, оказываются неприемлемыми при обобщении опытных данных других исследователей.

тому с целью повышения значения дкр применяются различного рода интенсификаторы. Однако использование в качестве интенсификаторов каких-либо завихрителей или шнеков не приводит к существенным результатам, так как с их помощью турбулизируется ядро потока, в то время как основное термическое сопротивление сосредоточено в пристенной области. Как показывают эксперименты, в некоторых случаях в качестве интенсификаторов целесообразно использовать поверхности с капиллярно-пористыми покрытиями. На рис. 12.7 сопоставлены зависимости q = f(x) для гладкой трубы и для трубы с капиллярно-пористым покрытием [216]. В этих опытах

54. Дюндин В. А., Данилова Г. Н., Боришанская А. В. Теплообмен при кипении хладагентов на поверхностях с пористыми .покрытиями. — В кн.: Теплообмен и гидродинамика (труды V ' Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов). Л., 1977, с. 15—30.

§ 7.4 Кипение на поверхностях с пористыми покрытиями........ 218

При изготовлении образцов с пористыми покрытиями особенно важно тщательно очищать поры от абразивного материала, чтобы при переходе к более тонкой пасте не загрязнять полированный круг частицами крупной фракции. Хорошие результаты дает ультразвуковая очистка.

Со времени опубликования работы [1 ] о результатах испытания теплообменных труб с металлическими капиллярно-пористыми покрытиями интерес к ним неустанно возрастает. Это вполне естественно, поскольку ни одно из известных мероприятий не интенсифицирует теплообмен при кипении в такой же степени, как нанесение капиллярно-пористых покрытий на греющие поверхности.

В рассмотренных выше предохранительных муфтах при срабатывании происходит скольжение по поверхности 0...Я7//7, которая должна быть смазана. Подвод смазочного материала к этой поверхности обычно затруднен. Кроме того, скольжение поверхностей происходит относительно редко (только при срабатывании муфты). Для этих условий вращающуюся деталь муфты лучше устанавливать на самосмазывающиеся подшипники скольжения, изготовленные из пористого материала (металлокерамика с включением бронзы), пропитанного фторопластом.

В рассмотренных выше предохранительных муфтах при срабатывании происходит скольжение по поверхности 0 ...HI'/fl, которая должна быть смазана. Подвод смазочного материала к этой поверхности обычно затруднен. Кроме того, скольжение поверхностей происходит сравнительно редко (только при срабатывании муфты). Для таких условий вращающуюся деталь муфты лучше устанавливать на самосмазывающиеся подшипники скольжения, изготовленные из пористого материала (металлокерамика с включениями бронзы), пропитанного фторопластом.

Изделие помещается в аппарат для напыления, состоящий из открытого сосуда, имеющего два дна: нижнее — сплошное и верхнее — из керамики или из какого-либо другого пористого материала. На пористое дно насыпается слой тонкоизмельчсн-ного сухого порошка; туда же подается сжатый воздух или азот под давлением 0,5—0,6 Л1н/м2; при этом объем порошка увеличивается больше чем в 2 раза. Затем металлическая поверхность нагревается выше температуры размягчения полимера. Этот метод непригоден для покрытия изделий со стенками толщиной менее 1 мм.

а - вязкостный коэффициент сопротивления пористого материала;

X— коэффициент теплопроводности пористого материала;

ПТЭ с подводом (отводом) теплоты внутрь пористого материала теплопроводностью от имеющей с ним идеальной тепловой контакт гер-

метичной нагреваемой (охлаждаемой) поверхности (см. рис. 1.3). Здесь можно выделить четыре основных варианта: канал с проницаемой вставкой а; межтрубное пространство, заполненное пористой матрицей б: поверхность с ребрами, вершины которых соединены с проницаемой перегородкой в; поверхность, покрытая слоем пористого материала, в котором имеются каналы г. В последних двух вариантах теплоноситель проходит сквозь пористую структуру и движется по каналам вдоль поверхности;

В качестве примера необходимо отметить конструкцию транспира-ционно охлаждаемого окна сверхзвукового самолета (Пат. 3452553 США). Такое окно состоит из двух высококачественных прозрачных стекол, разделенных зазором. Внутреннее стекло — обычное сплошное прозрачное, внешнее — из оптического пористого материала. Холодный воздух подается в зазор между стеклами и охлаждает внешнее стекло, проходя сквозь мельчайшие отверстия в нем.

Известно, что объемное тепловыделение происходит по экспоненциальному закону в элементах тепловой защиты ядерных реакторов вслед-стие поглощения проникающей радиации. Изготовление их из пористого материала и прямоточное охлаждение пронизывающим потоком охладителя позволяет значительно снизить температуру и ее градиенты по сравнению с обычным конвективным охлаждением сплошных элементов.

Термическое сопротивление пористого материала, заключенного в герметичную оболочку, можно регулировать в широком диапазоне путем дозированного ввода в него газа или жидкости (в том числе жидкого металла). Это позволяет плавно изменять его эффективную теплопроводность в пределах от 10" э до 104 Вт/ (м • град). Сверхвысокая теплопроводность таких ПТЭ достигается за счет кипения жидкости и конденсации пара внутри проницаемой структуры вблизи обогреваемой и охлаждаемой герметичных поверхностей. Указанное устройство может быть использовано для организации интенсивного теплообмена, например, при охлаждении электродов дугового нагревателя газа.

где р — давление; Z — координата; и = G/ р — скорость фильтрации, равная отношению удельного массового расхода жидкости G к ее плотности р; ц — динамический коэффициент вязкости; а, /3 — вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления пористого материала.