Исследование процесса теплообмена при испарении крупной плоской капли на высокотемпературной поверхности

Abstract

When cooling a high temperature surface with liquid jet dispersed for relatively small values of the irrigation density, the main determinant of the intensity of heat removal is the heat transfer between a single droplet and the cooled surface. The papers on this topic provide solutions for estimating the time of drop evaporation in flat condition, though, in the calculations, they disregard the heat fluxes related to the heat transfer by radiation from the wall to the droplet evaporation and of the diffusion couple with the outer surface of the droplets in the environment. This article discusses the process of heat exchange in the interaction of large droplets with high temperature flat surface based on the data of heat flow. The authors provide the formulas to calculate the time of evaporation of large drops to flat transition in one half of a spheroid and the average heat transfer coefficient considering heat flow by radiation in the absence of evaporation from the surface of droplets in the environment. Calculations show that accounting for the effects of radiation heat flux for the wall temperature from 300 to 1,200о С leads to an increase in the average heat transfer coefficient from 7-8 to 63-67%, which shows a significant influence of heat flux radiation on the total heat removal at a sufficiently high temperature wall. The dependences for determining parameters of heat exchange considering the radiation heat flux are complemented by the estimate of the maximum possible effect on the heat transfer process of diffusion evaporation from droplet surface to the environment. The authors show that the diffusive heat flux may have a significant impact on the parameters of the heat transfer only when the surface temperature up to 700о С. At higher values of wall temperature, the heat flux will be significantly lower than the radiation heat flux, due to evaporation from the outer surface of the droplet into the environment, and the calculations can be carried out without considering the influence of diffusion and evaporation on the heat transfer intensity.

При охлаждении высокотемпературной поверхности струями диспергированной жидкости для сравнительно малых значений плотности орошения основным фактором, определяющим интенсивность теплосъема, является теплообмен при испарении одиночной капли на охлаждаемой поверхности. В посвященных данной теме работах приведены решения для оценки времени испарения капли в плоском состоянии, при этом в расчетах не учитываются тепловые потоки, связанные с переносом тепла радиацией от стенки к капле и диффузионным испарением пара с внешней поверхности капли в окружающую среду. В статье рассматривается процесс теплообмена при испарении крупных плоских капель на высокотемпературной поверхности с учетом данных тепловых потоков. Получены формулы для расчета времени испарения крупной плоской капли до ее перехода в полусфероид и среднего коэффициента теплоотдачи с учетом теплового потока радиацией при условии отсутствия испарения с поверхности капель в окружающую среду. Расчеты показывают, что учет влияния радиационного теплового потока для температур стенки от 300 до 1200о С приводит к возрастанию среднего коэффициента теплоотдачи с 7-8 до 63-67%, что позволяет сделать вывод о существенном влиянии теплового потока излучением на величину суммарного теплосъема при достаточно высоких температурах стенки. Полученные зависимости для определения параметров теплообмена с учетом радиационного теплового потока дополнены оценкой максимально возможного влияния на процесс теплообмена диффузионного испарения с поверхности капли в окружающую среду. Показано, что диффузионный тепловой поток может оказывать существенное влияние на параметры теплообмена только при температуре поверхности до 700о С. При более высоких значениях температуры стенки тепловой поток за счет испарения с внешней поверхности капли в окружающую среду будет существенно ниже радиационного теплового потока и расчеты можно проводить без учета влияния диффузионного испарения на интенсивность теплообмена.