При охлаждении (захолаживании) резервуаров под хранение криогенных горючих жидкостей или при закалке металлических деталей горячий металл приходит в контакт с холодной жидкостью. При этом начальный перепад температур будет соответствовать пленочному кипению.
По мере охлаждения металла будет достигнута температура соответствующая кризису пленочного кипения ΔТкр2. При дальнейшем охлаждении кипение продолжается в переходном режиме. При Bi →0 скорость охлаждения согласно уравнению теплового баланса:
;
Для плоской пластины V0/F=δ.При охлаждении тел, имеющих малые запасы внутренней энергии или развитую поверхность, контакты жидкости в переходной области приводят к падению температуры в месте контакта и последующему подводу тепла из близлежащих областей, в которых, таким образом, увеличивается вероятность касания жидкостью стенки. Указанные процессы приводят к резкому, лавинообразному нарастанию плотности теплового потока - q с уменьшением температуры. В случае малого значения dT/dt контакт жидкости со стенкой хотя и приводит к падению температуры в месте касания, но может быть локализован за счет подвода теплоты из глубинных областей.
В результате этого имеет место более плавное нарастание величины q с уменьшением температуры. Так, телам с большим запасом теплоты соответствует более плавное (вогнутое) нарастание q с уменьшением температурного напора ΔТ, случаю же малых запасов теплоты соответствует, как правило, лавинообразный рост плотности теплового потока с уменьшением температуры стенки. Безразмерным критерием нестационарности в переходной области кипения может служить величина [7]:
(71)
(72)
(73)
В последнее соотношение входит среднее значение скорости охлаждения , которую можно оценить [7]:
При Bi<1
При 1<Bi<100
При Bi<100 (74)
Где ;
;
Существует три области, которые можно выделить в зависимости от значения W:
1. W<2*10-4 – область плавного нарастания теплового потока;
2. W<2*10-3 – область характеризующая лавинообразным нарастанием теплового потока;
3. 2*10-4 < W<2*10-3 – область, где кривая переходного кипения занимает промежуточное положение.
В результате получаются следующие аппроксимации для зависимости Δq=f(ΔT) на переходном участке:
1. при W<2*10-4
2. при 2*10-4 < W<2*10-3
3. при W<2*10-3
Где: ;
(75)
Пример: Определить время включения и расход воды на охлаждение поверхности бетонной стены. На стену падает лучистый поток от источника площадью S=15 м2, Tf = 1500 0K, степень черноты εf = 0,93. Бетонная стена толщиной δ=40 см, высота h=4м, степень черноты εс = 0,9, λδ=1,2 вт/м 0, Ср=1130 дж/кг 0, ρ=2000 кг/м3. Расстояние между источником и стеной Z=3 м, расположение фронтальное. Принять, что вода испаряется полностью, а температура поверхности бетона не должна превышать 600 0С.
Воздух между стеной и источником не излучает и не поглощает излучение. Начальная температура Т0 = 0 0 С.
1. Тепловой поток испускаемый источником:
2. Падающий, отраженный и поглощаемый потоки в момент времени t=0.
Падающий.
Отраженный:
Поглощаемый:
В результате поглощения тепла поверхность стены нагревается и начинает сама излучать и вызывать естественную конвекцию.
Конвективный охлаждающий тепловой поток за счет естественной конвекции
Число Грасгофа
Вязкость воздуха бралась при
- режим турбулентный
Число Нуссельта
Коэффициент конвективной теплоотдачи
Коэффициент теплоотдачи излучением от нагретой стены для случая линеаризованного теплового потока: определяется через предельную температуру нагрева
Время в течение которого стена является термически толстым телом:
Суммарный коэффициент теплоотдачи от стены и характерное время изменения температуры поверхности стены:
Предположим, что время прогрева до 600 лежит в интервале 0,5
Так как наше предположение не оправдалось и получилось что
Время включения орошения
Проверка
Разница 0,23% поэтому принимаем время включения орошения 78,25 сек
Тепловой поток, который поступает внутрь стены после того как температура поверхности достигнет величины Тп=600℃ и этот поток необходимо компенсировать орошением:
Охлаждающая способность воды, если она имеет температуру 0℃, теплота испарения
Требуемый расход воды:
Примечание. Полученный результат справедлив даже если какая то часть воды испарится, не достигая поверхности. Ведь при этом уменьшится падающий поток на величину Тогда при Тп=Тп*(предельная) будет выполняться условие
По определению в этот момент и в результате получается
На самом деле падающий поток уменьшится еще на большую величину, так как водяные пары сильно поглощают тепловое излучение.
Пример: Определить характер изменения температуры стенки металлического резервуара, наполненного бутаном. Начальная температура 25℃. Емкость – горизонтальный цилиндрический сосуд α=10м, d=2,4м, 𝛿=36мм. Емкость находится в действии факела Т=1200°К, горячие газы непосредственно действуют на стенку на площади 4м2, средняя скорость газа в факеле 6м/с.
Основные характеристики жидкого бутана при температуре Т0=298°К:
Температурный коэффициент объемного расширениям β=2,4∙10-3
Кинематический коэффициент вязкости ν=2,7∙10-7
Плотность ρ=600