Введення енергії та процесів
Перш ніж входити в контекст нашої проблеми, читачеві необхідно мати загальний огляд теплопередач із зміною фази. Тому ми можемо тут коротко нагадати про різні режими кипіння, які існують, перш ніж зосередитись на нашій проблемі.
- Режими кипіння
Наступний малюнок ілюструє існування різних режимів кипіння. Ця крива кипіння, отримана в результаті експерименту Дрю і Мюллера, показує еволюцію теплового потоку, що залишає горизонтальну плоску пластину, коли змінюється параметр $ Tp-T_ $ з $ T_p $ температурою стінки і $ T_ $ температурою насичення рідина, яка зафіксована для даної проблеми. Так змінюється температура стіни.
Джерело: курс "Перенесення фази", Катерина КОЛІН
Ця крива підкреслює існування різних режимів кипіння, які ми пояснимо тут:
- від А до С: природний режим конвекції. У цій дієті присутня не тільки одна фаза - рідина. Ми спостерігаємо наявність конвективних комірок, які є двигуном теплообміну;
- від D до F: режим ядерного кипіння. Поява бульбашок змушує потік переходити від C до D при фіксованій температурі стінки. У цьому режимі система є двофазною. Значення параметра $ Tp-T_ $ визначає стан системи: наявність ізольованих бульбашок або стовпців парів при підвищенні температури стінки;
- точка F відповідає кризі кипіння. Це локальний максимальний тепловий потік, за яким тепловий потік різко зменшується;
- секція FG є перехідним режимом, і в точці G є місцевий мінімум, від якого кипіння є плівкою;
- нарешті від G і до H ми опиняємося в режимі кипіння плівки. Цей режим характеризується дрібною і суцільною паровою плівкою між стінкою та рідиною.
У рамках цього проекту нас цікавить виключно режим кипіння ядер. Дійсно, у кожного режиму є моделі, специфічні для нього, з різними пов'язаними з ним промисловими проблемами.
- Ядерний режим кипіння.
У цьому режимі з’являються бульбашки, які відіграють важливу роль у передачі тепла, оскільки крім природного режиму конвекції рух бульбашок спричинює появу інших теплових потоків. Основні параметри, які нас зацікавлять у цьому проекті щодо режиму кипіння з ядром:
щільність сайту нуклеації $ Na $. Бульбашки утворюються в місцях зародження, які залежать від матеріалу (шорсткість стінок). Чим вища температура, тим більша кількість сайтів, які активуються;
Частота відшарування бульбашок $ f $. Це частота, з якою утворюються бульбашки, коли їх розміщують на місці зародження;
нарешті, діаметр відшарування $ r_ $ є не менш важливим параметром, оскільки він залежить від сили тяжіння.
Ці параметри повинні визначатися або з аналітичних формул, або експериментально. У всіх випадках їх необхідно визначати, оскільки вони відіграватимуть безпосередню роль у моделюванні теплових потоків режиму кипіння з ядром. Модель цього режиму полягає у поділі внеску теплового потоку на три частини:
- обмінний потік шляхом природної конвекції між ділянками нуклеації, тобто в місцях, де міхур не впливає на перенесення шляхом природної конвекції;
- потік, необхідний для випаровування мікрошару, розташованого між міхуром, який утворюється (до відшарування), і стінкою. Це просто енергія, необхідна для передачі для випаровування цього мікрошару;
- Нестабільний потік провідності, що з’являється, коли міхур відламується і стінка нагріває холодну рідину.
Тому буде необхідно моделювати ці потоки та спостерігати за їх розвитком для різних гравітацій. Ці питання будуть предметом наступних розділів.