Критический тепловой поток при кипении: определение и факторы влияния
Critical heat flux
Критический тепловой поток (CHF): когда кипение перестает эффективно отводить тепло. Режимы кипения, теплосъем и фазовые переходы в системах охлаждения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тепловой поток, при котором кипение перестаёт быть эффективным методом теплопередачи.
Heat flux at which boiling is no longer an effective method of heat transfer
В изучении теплопередачи критический тепловой поток (КТП) – это тепловой поток, при котором кипение перестаёт быть эффективной формой передачи тепла от твёрдой поверхности к жидкости.
In the study of heat transfer, critical heat flux (CHF) is the heat flux at which boiling ceases to be an effective form of transferring heat from a solid surface to a liquid.
Описание
Системы кипения – это системы, в которых жидкий теплоноситель поглощает энергию от нагретой твердой поверхности и изменяет свое фазовое состояние. В системах кипения потока насыщенная жидкость последовательно проходит через различные режимы течения по мере увеличения паросодержания. В системах, использующих кипение, скорость теплопередачи значительно выше, чем при однофазном состоянии теплоносителя (то есть, когда он полностью жидкий или полностью парообразный). Более эффективная теплопередача от нагретой поверхности обусловлена теплом парообразования и теплоемкостью. Поэтому теплопередача при кипении играет важную роль в промышленных процессах теплообмена, таких как макроскопические теплообменники на атомных и тепловых электростанциях, а также в микроскопических устройствах теплообмена, таких как тепловые трубы и микроканалы для охлаждения электронных компонентов. Использование кипения для отвода тепла ограничено явлением, называемым критическим тепловым потоком (КТФ). Наиболее серьезная проблема, возникающая вблизи КТФ, заключается в резком повышении температуры нагреваемой поверхности из-за существенного снижения теплопередачи. В промышленных применениях, таких как охлаждение электроники или аппаратура для космических применений, такое резкое повышение температуры может привести к потере работоспособности устройства.
Boiling systems are those in which liquid coolant absorbs energy from a heated solid surface and undergoes a change in phase. In flow boiling systems, the saturated fluid progresses through a series of flow regimes as vapor quality is increased. In systems that utilize boiling, the heat transfer rate is significantly higher than if the fluid were a single phase (i. e. all liquid or all vapor). The more efficient heat transfer from the heated surface is due to heat of vaporization and sensible heat. Therefore, boiling heat transfer has played an important role in industrial heat transfer processes such as macroscopic heat transfer exchangers in nuclear and fossil power plants, and in microscopic heat transfer devices such as heat pipes and microchannels for cooling electronic chips. The use of boiling as a means of heat removal is limited by a condition called critical heat flux (CHF). The most serious problem that can occur around CHF is that the temperature of the heated surface may increase dramatically due to significant reduction in heat transfer. In industrial applications such as electronics cooling or instrumentation in space, the sudden increase in temperature may possibly compromise the integrity of the device.
Корреляции
Критический тепловой поток — важная точка на кривой кипения, и может быть целесообразно проводить процесс кипения вблизи этой точки. Однако следует проявлять осторожность при отводе тепла, превышающего это значение. Зубер, проведя анализ гидродинамической устойчивости задачи, разработал выражение для приближенного определения этой точки. Единицы измерения: критический поток: кВт/м; h: кДж/кг; σ: Н/м; ρ: кг/м³; g: м/с². Он не зависит от материала поверхности и слабо зависит от геометрии нагреваемой поверхности, описываемой постоянной C. Для больших горизонтальных цилиндров, сфер и больших конечных нагреваемых поверхностей значение постоянной Зубера составляет [значение отсутствует в оригинале]. Для больших горизонтальных пластин более подходящим является значение [значение отсутствует в оригинале]. Критический тепловой поток сильно зависит от давления. При низких давлениях (включая атмосферное) зависимость от давления обусловлена главным образом изменением плотности пара, что приводит к увеличению критического теплового потока с ростом давления. Однако, по мере приближения давления к критическому, поверхностное натяжение и теплота парообразования стремятся к нулю, становясь доминирующими факторами, определяющими зависимость от давления. Для воды при 1 атм указанное уравнение дает критический тепловой поток приблизительно 1000 кВт/м.
The critical heat flux is an important point on the boiling curve and it may be desirable to operate a boiling process near this point. However, one could become cautious of dissipating heat in excess of this amount. Zuber, through a hydrodynamic stability analysis of the problem has developed an expression to approximate this point. Units: critical flux: kW/m; h: kJ/kg; σ: N/m; ρ: kg/m; g: m/s. It is independent of the surface material and is weakly dependent upon the heated surface geometry described by the constant C. For large horizontal cylinders, spheres and large finite heated surfaces, the value of the Zuber constant For large horizontal plates, a value of is more suitable. The critical heat flux depends strongly on pressure. At low pressures (including atmospheric pressure), the pressure dependence is mainly through the change in vapor density leading to an increase in the critical heat flux with pressure. However, as pressures approach the critical pressure, both the surface tension and the heat of vaporization converge to zero, making them the dominant sources of pressure dependency. For water at 1atm, the above equation calculates a critical heat flux of approximately 1000 kW/m.