Теплообмен при кипении

Теплообмен при кипении на страницах журнала «Теплоэнергетика»: через годы и десятилетия.

А.В. Дедов 

НИУ “МЭИ”, Москва, Россия

История журнала «Теплоэнергетика» насчитывает уже 70 лет. За это время на страницах журнала было опубликовано множество замечательных статей самого различного формата: научно-технические и теоретические работы, обзоры проблем и прошедших конференций, поздравления с юбилеями ведущих ученых. С момента основания журнала статьи выходят под тематическими рубриками, объединяющими конкретные направления науки и техники, связанных преимущественно с энергетикой. Интересно спустя годы и десятилетия оценить, что может вызвать интерес современного исследователя и практика, понять, к каким работам будут возвращаться и цитировать. Охватить всю тематику журнала в ретроспективе публикаций практически невозможно, автор выбрал тему теплообмен при кипении, статьи по данной проблематике наиболее часто выходили в рубрике «Теплообмен и свойства рабочих тел», неизменно присутствующей с момента основания журнала. Автор пытался выделить наиболее значимые результаты, представленные на страницах журнала, работы, которые следует помнить и ценить, обогатившие мировую науку о теплообмене.

Первоначально были отобраны работы во всех номерах журнала, начиная с первого, связанные с рассмотрением именно теплообмена при кипении, сознательно ограничен круг рассматриваемых вопросов. По данной теме, начиная с первых номеров журнала публиковалось в среднем более 5 работ в год. Это достаточно много, ведь кипение всегда привлекало внимание исследователей как она из немногих возможностей предавать тепловые потоки плотностью 1 МВт/м², характерные для теплообменных устройств в энергетике и ряде других технологий. В силу ограничения тематики многие замечательные работы мирового уровня остались вне рассмотрения. Такие, например, как цикл исследований по структуре двухфазного потока выполненных Б.И. Нигматулиным с коллегами, или работы по определению паросодержания и гидравлического сопротивления, выполненные под руководством проф. Г.Г. Бартоломея. Эти работы, наверное, уже невозможно повторить в современных условиях, а полученные в них результаты вошли в расчетные коды, используемые в атомной отрасли, а также используются и сейчас для проверки аналитических уравнений и результатов расчетов. Еще одним естественным ограничением является рассмотрение именно публикаций в «Теплоэнергетике», ведь, как отмечал в середине 70-х годов в дискуссии на страницах журнала С.С. Кутателадзе «…круг авторов журнала ограничен…», в «Теплоэнергетике» практически не публиковались исследователи из ведущих теплофизических институтов – Сибирского и Уральского, предпочитая другие журналы, а основной круг авторов составляли исследователи из московских академических и прикладных институтов и университетов.  

Интересной является статистика публикаций по годам. На рис. 1 представлено число публикаций по полным десятилетиям. Можно выделить «золотую эпоху» 80-х годов прошлого века, обусловленную творческой активностью таких авторов (с соавторами) как А.А. Авдеев, В.В. Ягов, опубликовавших более десятка работ каждый по данной теме, не забывая при этом и о других авторах, имеющих по несколько публикаций Ю.А. Кириченко, В.В. Клименко, Ю.А. Кузма-Кичта и др. Исходить при выборе работ, остающихся актуальными и сейчас, ориентируясь на цитируемость публикаций будет неправильно, т.к. и статистка аккуратно ведется только последние пару десятков лет, и часть результатов вошла в учебники, справочники и монографии и авторы более не ссылаются на начальные работы. Выбран способ сравнения результатов, опубликованных в «Теплоэнергетике» с мировым уровнем публикаций. Результаты, которые не повторяют полученные ранее, были передовыми на момент публикации и соответствуют сейчас мировому уровню были отобраны для включения в настоящую публикацию. Целью является выделение таких результатов для современных исследователей, во избежание повторного открытия уже известного.

Рис. 1. Число публикаций по теме «теплообмен при кипении» по полным десятилетиям.

Удивительно, но и по прошествии 70 лет тематика работ, опубликованных в 50-60 годах выглядит современной. Основная часть публикаций того времени посвящена экспериментальному исследованию кризиса теплообмена при кипении в различных условиях, сочетает представление экспериментальных данных с эмпирическими зависимостями, след которых затерялся в истории, но опытные данные составили основу скелетных таблиц КТП, и могут быть использованы и сейчас. Исследовано влияние недогрева, скорости потока, диаметра канала, условий нагрева на значения КТП. Можно выделить циклы экспериментальных работМиропольского З.Л. и Мостинского И.Л. с соавторами  [1-5] и Орнатского А.П. с соавторами [6-14], выполненных на воде, в том числе при кипении с недогревом при высоких скоростях течения, в частности в каналах малого диаметра и в области околокритических давлений. 

В 50-60-х годах появляются и первые теоретические результаты не теряющиеся и спустя несколько поколений исследователей. Следует отметить работы Д.А. Лабунцова [15-18], которые опередили свое время по глубине анализа процессов, определяющих теплообмен при кипении. Эти и последующие работы Д.А. Лабунцова [19-20],  заложили в отечественной науке целостный подход к рассмотрению как отдельных явлений (например законы роста одиночного парового пузырька), определяющих теплообмен при фазовых переходах, так и интегральных результатов в виде уравнений для расчета теплообмена, основанных на моделях с выделением основных влияющих процессов.

В это же время появляются на страницах журнала публикации Дорущука В.Е. с соавторами [21-26], которые отличает глубокое понимание исследуемых процессов, тщательное отношение к деталям экспериментальных исследований. Многое из перечисленных работ вошло в известную монографию Дорущука В.Е., являющуюся одной из самых содержательных работ в области теплообмена при кипении.

В начале 70-х на страницах журнала формируется отдельное направление, посвященное исследованию кипения криогенных жидкостей, оставившее достойное наследие в мировой науке. Работы В.А. Григорьева, и его последователей Ю.М. Павлова, Е.В. Аметистова, А.В. Клименко [27-30] дают решение задач кипения в большом объеме и вынужденной конвекции, КТП. Пленочное кипение He-II рассмотрено в [31-34].  В настоящее время данная тематика не представлена на станицах журнала Теплоэнергетика, сформированы специализированные отечественные и зарубежные журналы, но конечно эти работы являются одними из первых и составляют важную часть наследия мировой науки.

На страницах журнала наиболее полно, начиная с первых номеров 70 лет назад, на уровне, не уступающим самым известным специализированным международным журналам по теплообмену, представлено две важные темы: кипение и кризис теплообмена насыщенной жидкости в большом объеме и в вынужденном недогретом потоке. 

Развитие теоретического анализа теплообмена при кипении насыщенной жидкости в большом объеме на страницах журнала воплотилось в две статьи В.В. Ягова [35-36], являющиеся работами «музейного уровня». В [35] представлен вывод формулы для расчета теплообмена при кипении, а в [36] значений КТП. Формула (1), представленная в [35], является единственной теоретически обоснованной, применимой для всего разнообразия имеющихся жидкостей:

где , безразмерный теплофизический комплекс, отражающий влияние давления на тепловой поток.

Формула вошла во все современные отечественные учебники по теплообмену, на ее основе развиты подходы к расчету теплообмена при кипении и в вынужденном потоке. В.В. Яговым позднее написаны еще две работы [37-38], обобщающие современные на момент публикации знания о теплообмене при кипении и КТП в большом объеме, подтверждающие востребованность (1). Спустя более 15 лет после выхода последней работы [38] можно отметить ее актуальность и современность, за это время не появилось значимых теоретических результатов для интегральных характеристик теплообмена, основное усилие исследователей направлено на численное моделирование процессов, но пока (очевидно в перспективе нескольких десятилетий) без привлечения опытной информации получать адекватные результаты невозможно, востребованность (1) будет сохраняться.

Тема исследования теплообмена при кипении в потоке недогретой жидкости также представлена на страницах журнала, начиная с 50-х годов. В 60-70-е годы шло накопление экспериментальных данных, в основном по кризису теплообмена, формировалось понимание влияния параметров потока на значения КТП. В 80-х годах пришло время осмысления полученных результатов, так в работе [39] детально исследованы условия кризиса в потоке недогретой жидкости, сформирована модель поведения пузырьков у стенки. В [40] представлена формула для расчета КТП при кипении в потоке недогретой жидкости:

Формула (2) является на взгляд автора одним из самых красивых и неоцененных мировым сообществом результатов в науке о теплообмене.  Она успешно обобщает все известные экспериментальные данные о КТП в сильно недогретом потоке. Развитие подхода [40] представлено в [41] для условий кризиса в недогретом закрученном потоке и в условиях одностороннего нагрева. Продолжение тематики присутствует и в самых последних публикациях [42].

Значительное число результатов, представленных на страницах «Теплоэнергетики» связано с развитием атомной энергетики. Можно выделить несколько направлений, представленных на мировом уровне длительное время:

• исследование кипения жидких металлов, являющихся теплоносителями [43-44];
• обобщение опытных данных по кризису теплообмена при кипении в трубах и пучках стержней (т.н. скелетные таблицы) [45-46];
• разработка и валидация расчетных кодов АЭС [47-51].

По представленному списку публикаций легко выделить отдельных авторов, длительное время публикующих статьи мирового уровня на страницах журнала, большая их часть уже упомянута, но самым преданным журналу является Ю.А. Зейгарник, уже более 55 лет (!) регулярно представляющий с соавторами результаты работы, начиная с работы 1966 года [52] и продолжая публикациями в текущем 2023 году, опубликовав в «Теплоэнергетике» уже более 60 работ. 

Практически столько же лет насчитывает одна из самых жарких дискуссий в теории теплообмена – о причинах кризиса теплообмена при кипении в большом объеме. На страницах «Теплоэнергетики» недавно в новом формате в виде серии публикаций самых авторитетных авторов представлен исторический итог этой дискуссии и выделены новые теоретические подходы к задаче [53-57].

Подводя итог, можно отметить достаточно большое для журнала, не посвященного исключительно теплообмену, количество публикаций, определяющих мировой уровень понимания некоторых задач теплообмена при кипении. Эти публикации заслужили признание исследователей, они будут цитироваться и в дальнейшем.

Благодарности.

Автор выражает благодарность Т.И. Новиковой и И.В. Авиловой, оказавших неоценимую помощь в подборе публикаций.

Список литературы

1. Миропольский З.Л., Мостинский И.Л. Критические тепловые потоки при равномерном и неравномерном обогреве периметра парогенерирующих труб.  Теплоэнергетика. 1958. №11. С. 64. 
2. Миропольский З.Л., Шицман М.Е., Мостинский И.Л., Ставровский А.А. Влияние входных условий на критические тепловые потоки при кипении воды в трубах. Теплоэнергетика. 1959. №1 С.80 
3. Стырикович М.А., Миропольский З.Л., Шицман М.Е., Мостинский И.Л., Ставровский А.А., Факторович Л.Е. Влияние предвключенных элементов на возникновение кризиса кипения в парогенерирующих трубах. Теплоэнергетика. 1960.  №5 С.81 
4. Миропольский З.Л. Теплоотдача при пленочном кипении пароводяной смеси в парогенерирующих трубах. Теплоэнергетика. 1963. №5 С.49
5. Мостинский И.Л. Применение закона соответственных состояний к расчету теплоотдачи и критических тепловых потоков при кипении жидкости. Теплоэнергетика. 1963. № 4 С.66
6. Орнатский А.П., Щербаков В.К. Интенсификация теплообмена в области кризиса с помощью ультразвука.  Теплоэнергетика. 1959. №1 С.84
7. Орнатский А.П. Влияние длины и диаметра трубы на величину критического теплового потока при вынужденном движении воды недогретой до температуры насыщения. Теплоэнергетика. 1960. № 6 С.67 
8. Орнатский А.П., Кичигин А.М. Исследование зависимости критической тепловой нагрузки от весовой скорости, нагрева и давления. Теплоэнергетика.  1961 № 2 С.75 
9. Орнатский А.П., Кичигин А.М. Исследование гидравлического сопротивления при течении недогретой воды в трубке малого диаметра и больших тепловых потоках.  Теплоэнергетика. 1961. № 8 С.56 
10. Орнатский А.П., Кичигин А.М. Критические тепловые нагрузки при кипении недогретой воды в трубах малого диаметра в области высоких давлений.  Теплоэнергетика. 1962. № 6 С.44 
11. Орнатский А.П. Критические тепловые нагрузки и теплоотдача при вынужденном движении воды в трубах в области сверхвысоких давлений (175–220 атм). Теплоэнергетика.  1963. №3 С.66 
12. Орнатский А.П., Кичигин А.М., Глущенко Л.Ф. Исследование критических тепловых потоков в кольцевых каналах при внешнем обогреве. Теплоэнергетика. 1966. №10 С.65 
13. Орнатский А.П., Чернобай В.А., Лазарев Н.А., Фураев В.С. Влияние завихрения потока на кризис теплообмена в кольцевом канале. Теплоэнергетика.  1969. №8 С.80 
14. Орнатский А.П., Чернобай В.А., Лазарев Н.А., Фураев В.С. Исследование влияния эксцентриситета на кризис теплообмена в кольцевых каналах. Теплоэнергетика. 1969. №7 С.74  
15. Лабунцов Д.А. Теплообмен при пузырьковом кипении жидкости.  Теплоэнергетика. 1959. №12 С.19 
16. Лабунцов Д.А. Обобщенные зависимости для теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей. Теплоэнергетика. 1960. №5 С.79 
17. Лабунцов Д.А. Обобщенные зависимости для критических тепловых нагрузок при кипении жидкостей в условиях свободного движения.   Теплоэнергетика. 1960. № 7 С.76 
18. Лабунцов Д.А. К расчету теплоотдачи при пленочном кипении жидкости на вертикальных поверхностях нагрева. Теплоэнергетика. 1963. №5 С.60 
19. Лабунцов Д.А. Вопросы теплообмена при пузырьковом кипении жидкости. Теплоэнергетика. 1972. № 9 С.14 
20. Лабунцов Д.А. Развитие исследований процессов фазовых превращений и механики двухфазных потоков. Теплоэнергетика. 1976.  № 6 С.2 
21. Дорощук В.Е., Фрид Ф.П. К вопросу о влиянии дросселирования потока и обогреваемой длины трубки на критические тепловые нагрузки. Теплоэнергетика. 1959. № 9 С.74 
22. Дорощук В.Е., Ланцман Ф.П. Влияние диаметра канала на критические тепловые нагрузки. Теплоэнергетика. 1963. № 8 С.73 
23. Дорощук В.Е., Коньков А.С., Ланцман Ф.П., Левитан Л.Л., Синицын И.Т. Кризис теплообмена второго рода при высоких массовых скоростях. Теплоэнергетика. 1972. № 3 С. 72 
24. Дорощук В.Е., Левитан Л.Л., Ланцман Ф.П., Барановский В.О. Исследование кризиса теплообмена второго рода и кольцевых каналах с внутренним обогревом. Теплоэнергетика.  1977. № 6.  С. 66 
25. Дорощук В.Е., Нигматулин Б.И. Исследование кризиса теплообмена в парогенерирующей трубе при косинусоидальном законе тепловыделения. Теплоэнергетика. 1978. № 3 С.80 
26. Дорощук В.Е. О происхождении кризисов теплообмена в трубах при течении недогретой воды и влажного пара.  Теплоэнергетика. 1980. № 8 С.44 
27. Григорьев В.А., Дудкевич А.С. Некоторые особенности кипения криогенных жидкостей.  Теплоэнергетика. 1969. № 11 С. 68 
28. Григорьев В.А., Дудкевич А.С. Кипение криогенных жидкостей в тонкой пленке. Теплоэнергетика. 1970. № 12 С.54 
29. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. О корреляции экспериментальных данных по теплообмену при кипении некоторых криогенных жидкостей в свободном объеме. Теплоэнергетика. 1973. № 9 С. 57 
30. Григорьев В.А., Антипов В.И., Павлов Ю.М., Клименко А.В. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении азота и гелия в каналах. Теплоэнергетика. 1977. № 4 С.11 
31. Лабунцов Д.А., Аметистов Е.В. К расчету теплообмена при пленочном кипении He-II. Теплоэнергетика. 1979. № 5 С. 24 
32. Лабунцов Д.А., Аметистов Е.В. К вопросу о тепловых потоках на межфазной границе He-II – пар при пленочном кипении сверхтекущего гелия. Теплоэнергетика.   1980. № 5 С.60
33. Лабунцов Д.А., Аметистов Е.В., Спиридонова А.Г. Исследование пленочного режима кипения сверхтекучего гелия (He-II).  Теплоэнергетика. 1981. № 4 С.18 
34. Лабунцов Д.А., Аметистов Е.В. Теория ламинарного пленочного кипения He-II. Теплоэнергетика. 1982. № 3 С.10 
35. Ягов В.В. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкостей. Теплоэнергетика. 1988. № 2 С.4 
36. Ягов В.В. Физическая модель и расчетное соотношение для критических тепловых нагрузок при пузырьковом кипении жидкостей в большом объеме. Теплоэнергетика. 1988. № 6 С.53 
37. Ягов В.В. Механизм кризиса кипения в большом объеме Теплоэнергетика. 2003. № 3 С. 2-10 
38. Теплообмен при пузырьковом кипении: возможности и пределы теоретического анализа Ягов В.В.    Теплоэнергетика. № 3 Год: 2007 2-8
39. Зейгарник Ю.А., Климов А.И., Маслакова И.В. Предельные параметры для систем охлаждения, использующих кипение сильно недогретой воды.  Теплоэнергетика. 1985. №12 С.55 
40. Ягов В.В., Пузин В.А. Приближенная физическая модель кризисного движения недогретой жидкости.   Теплоэнергетика. 1985 №10 С.52 
41. Дедов А.В. Критические тепловые нагрузки при кипении в недогретом потоке. Теплоэнергетика. 2009. №3 С. 2-8 
42. Васильев Н.В., Зейгарник Ю.А., Ходаков К.А. Кипение при вынужденном течении недогретой жидкости как метод отвода высоких тепловых потоков (обзор). Ч. 2. критические тепловые потоки, интенсификация теплоотдачи. Теплоэнергетика. 2022. № 5. С. 3-17.
43. Теплообмен жидких металлов при кипении и конденсации Зейгарник Ю.А., Кириллов П.Л., Ушаков П.А., Ивановский М.Н. 2001. № 3  С. 2-8
44. Хафизов Р.Р., Поплавский В.М., Рачков В.И., Сорокин А.П., Труфанов А.А., Ашурко Ю.М., Волков А.В., Иванов Е.Ф., Привезенцев В.В. Экспериментальные исследования теплообмена при кипении натрия в модели ТВС в обоснование безопасности перспективного реактора на быстрых нейтронах. Теплоэнергетика. 2017. № 1. С. 10-19.    2
45. Скелетная таблица версии 1995 г. для расчета критического теплового потока в трубах Бобков В.П., Виноградов В.Н., Греневельд Д., Кириллов П.Л., Леунг Л., Ройер Е., Смогалев И.П., Хуанг Х. 1997. № 10  С. 43-53
46.  Критические тепловые потоки в треугольных пучках стержней (Скелетная таблица, версия 1997 г.) Бобков В.П., Виноградов В.Н., Кириллов П.Л., Смогалев И.П. 1999 № 11. С.54-63
47. О точности описания различными кодами критических тепловых потоков в пучках стержней Бобков В.П., Смогалев И.П. 2001 № 3  стр. 21-28
48. Бобков В.П., Виноградов В.Н., Ефанов А.Д., Сергеев В.В., Смогалев И.П. Обоснование и верификация модели кризиса теплообмена в пучках стержней теплогидравлического кода КОРСАР 2003 №3 стр. 16-19 
49. Некоторые результаты верификации кода SERPENT при расчете кризиса теплоотдачи в равномерно обогреваемых трубах Ганжинов A.M., Жуков Ю.М., Сивкова М.Г., Устинов B.C. № 4 2006  С. 39-45
50. Юдов Ю.В. Учет влияния неконденсирующихся газов на процессы межфазного тепломассообмена в двухжидкостной модели кода КОРСАР Теплоэнергетика. 2018. № 3. С. 42-50.   
51. Мосунова Н.А. Интегральный код ЕВКЛИД/V1 для обоснования безопасности реакторных установок на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Часть 1: Базовые модели Теплоэнергетика. 2018. № 5. С. 69-84.
52. Зейгарник Ю.А., Комендантов А.С. Некоторые данные по теплоотдаче при кипении воды в условиях вынужденного течения в трубе при атмосферном давлении.  Теплоэнергетика. 1966. № 12 С. 50 
53. Федорович Е.Д.О целесообразности разработки двухстадийной модели кризиса кипения смачивающей поверхность нагрева жидкости Теплоэнергетика. 2020. №11 с. 76-78
54. Ягов В.В. О механизмах кризиса кипения (комментарий к статье E.Д. Федоровича “О целесообразности разработки двухстадийной модели кризиса кипения смачивающей поверхность нагрева жидкости”) Теплоэнергетика. 2020. №11 с. 79-83   
55. Зейгарник Ю.А., Васильев Н.В. К вопросу о модели кризиса теплоотдачи при кипении (комментарий к статье E.Д. Федоровича “О целесообразности разработки двухстадийной модели кризиса кипения смачивающей поверхность нагрева жидкости”) Теплоэнергетика. 2020. №11 с.84-85        
56. Павленко А.Н.О физике развития кризисных явлений при кипении (комментарий к статье E.Д. Федоровича “О целесообразности разработки двухстадийной модели кризиса кипения смачивающей поверхность нагрева жидкости”) Теплоэнергетика. 2020. №11 с. 86-94
57. Готовский М.А.О проблеме создания физически состоятельной модели кризиса кипения жидкости в большом объеме (комментарий к статье E.Д. Федоровича “О целесообразности разработки двухстадийной модели кризиса кипения смачивающей поверхность нагрева жидкости”). Теплоэнергетика. 2020. №11 с. 95-98

доска
объявлений

Открыт доступ к электронному архиву журнала в РИНЦ за период с 1991 по текущие номера этого года

Принимаются заявки на размещение рекламы в выпусках 2024 г.

партнеры
журнала