При кипении жидкостей тепло от горячей стенки передается пристенному слою. Пузырьки пара, образование которых проходит в конкретных точках поверхности кипения (центрах парообразования), в процессе роста и отрыва, оттесняют частицы перегретого слоя в ядро кипящей жидкости. За счёт этого тепла и идет нагрев жидкости (если она еще недогрета до температуры кипения) и рост паровых пузырьков, оторвавшихся от поверхности нагрева. Величина перегрева пристенного слоя жидкости зависит от тепловой нагрузки, свойств кипящей жидкости и состояния поверхности нагрева и определяется условиями существования паровых пузырьков.

Для того чтобы паровой пузырек не был раздавлен жидкостью, давление внутри пузырька должно быть выше давления над зеркалом жидкости на величину гидростатического давления на глубинœе погружения пузырька плюс давление, создаваемое силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар.
Размещено на реф.рф
Последняя величина обратно пропорциональна диаметру пузырька. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, отрывной диаметр парового пузырька определяется давлением пара внутри него, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ будет равно давлению насыщенных паров окружающих слоев жидкости. С другой стороны, отрывной диаметр парового пузырька определяется размером центра парообразования, который представляет собой царапины, поры или впадины на твердой поверхности. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, чем крупнее центр парообразования, тем меньшие перегревы пристенного слоя требуются для отрыва паровых пузырьков. При увеличении температуры поверхности нагрева начинают действовать центры парообразования с меньшими размерами, увеличивается число действующих центров парообразования, возрастает число отрывающихся пузырьков, растет турбулизация жидкости, увеличивается интенсивность теплообмена.

На рисунке 2.8 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи от разности температур стенки и насыщенных паров, которую называют кривой кипения . При температурных напорах до 1¼2 °С тепло передается преимущественно теплопроводностью (зона 1). При увеличении напора до 3¼4 °С существенную роль играет свободная конвекция (зона 2), а при более высоких перегревах до 7¼9 °С начинают действовать отдельные, наиболее крупные центры парообразования. Здесь количество тепла, передаваемое естественной конвекцией, и тепло, передаваемое по механизму теплоотдачи при кипении, соизмеримы. Паровые пузырьки всплывают в жидкости, не касаясь друг друга. Это режим неразвитого пузырчатого кипения (зона 3). Здесь коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 0,2 ¼ 0,3 . При дальнейшем увеличении температуры стенки возрастает число действующих центров парообразования, жидкость интенсивно перемешивается, наблюдается развитое пузырчатое кипение (зона 4). В начале зоны слияние пузырьков наблюдается только в верхних слоях жидкости. В зоне развитого кипения коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 1,5 ¼ 2,2 . По мере увеличения температуры, область слияния пузырьков опускается к поверхности нагрева, а в точке К, называемой критической , происходит кризис кипения . Действующих центров парообразования появляется так много, что паровые пузырьки сливаются друг с другом уже в момент отрыва и образуют нестабильную паровую пленку. Наступает пленочный режим кипения (зона 6). Теплопроводность паровой пленки значительно ниже, чем теплопроводность жидкости, в связи с этим коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении резко снижается и в дальнейшем практически не меняется. Между режимами развитого пузырчатого и пленочного кипения находится довольно узкая переходная зона (зона 5). При очень больших температурных напорах существенным оказывается влияние лучистого теплообмена и коэффициент теплоотдачи вновь начинает расти (зона 7).

Для определœения коэффициента теплоотдачи при кипении предложено большое число зависимостей, которые плохо согласуются друг с другом. Авторы учебника рекомендуют формулы:

a=А×j×q 0,7 р 0,171 и a=(Аj) 3,33 Ñt 2,33 р 0,57 , (2.42)

где А – постоянный сомножитель (при кипении в большом объёме А=3,02, при кипении в трубах А=3,15); q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м 2 ; Ñt – температурный напор, °С; р – давление, бар; j – относительный коэффициент теплоотдачи:

для воды j=1,

для индивидуальных веществ j=(р кр /221,2) 0,52 ,

для индивидуальных веществ и смесей j=(0,018r/М) 0,47 (m в /m) 0,06 ,

для растворов солей j=18(n в /n) 0,23 (р/р s) 0,06 ,

где р кр – критическое давление веществ, бар; r – плотность вещества, кг/м 3 ; М – молекулярная масса вещества; m в и m – динамическая вязкость воды и вещества, Па×с; n в и m – кинœематическая вязкость воды и вещества, м 2 /с; р s – давление насыщенных водяных паров при температуре кипения раствора.

Для определœения критического удельного теплового потока (Вт/м 2) рекомендуется формула

q к =0,15r(r¢¢) 0,5 0,25 . (2.43)

При кипении пленок, стекающих по поверхности нагрева, возможны два режима течения пленки. При ламинарном течении (при q<4000 Вт/м 2) пленки кипение не происходит, а идет испарение жидкости с её поверхности и коэффициент теплоотдачи определяется толщиной d, скоростью w и физическими свойствами пленки жидкости

При турбулентном потоке пленки в ней наблюдается пузырьковое кипение жидкости и коэффициент теплоотдачи вычисляется по формуле

a=16,35(l/d)(dw/n) 0,26 0,69 при q=4000¼15000 Вт/м 2 ;

и a=2,6(l/d)(dw/n) 0,2 0,32 при q>15000 Вт/м 2 . (2.45)

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости.

Режимы кипения жидкости.

Различают кипение жидкостей на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образования паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т.п.). Этот вид кипения в основном и рассматривается далее.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Рисунок 3.1 – режимы кипения жидкости в неограниченном объеме: а) -пузырьковый; б) – переходный; в) - пленочный

На рис. 3.1. схематически показаны режимы кипения жидкости в неограниченном объеме. При пузырьковом режиме кипения (рис. 3.1,а) по мере увеличения температуры поверхности нагрева t c и соответственно температурного напора число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме.

При повышении температурного напора Δt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

где Q - тепловой поток, Вт; r - теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; G п - количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с.

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Δt растет не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимального значения (Рис. 3.2), а при дальнейшем повышении Δt начинает уменьшаться.

Рисунок 3.2 – Зависимость плотности теплового потока q

от температурного напора Δt при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении: 1- подогрев до температуры насыщения; 2 – пузырьковый режим; 3 – переходный режим; 4 – пленочный режим.

Дать участки 1 2 3 и 4

Пузырьковыйрежим кипения имеет место на участке 2 (Рис. 3.2) до достижения максимального теплоотвода в точке q кр1 , называемой первой критической плотностью теплового потока . Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ≈ Вт/м 2 ; соответствующее критическое значение температурного напора Вт/м 2 . (Эти значения относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий и других жидкостей значения будут иными).

При бóльших Δt наступает переходный режим кипения (рис. 3.1, б ). Он характеризуется тем, что как на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока (участок 3 на Рис. 3.2) и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения (рис. 3.1, в ). При этом перенос теплоты от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая (участок 4 на рис. 3.2). Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Это соответствует на рис. 3.2 точке q кр2 , называемой второй критической плотностью теплового потока. При атмосферном давлении для воды момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором ≈150 °С, т. е. температура поверхности t c составляет примерно 250°С. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет теплообмена излучением.

Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если, например, раскаленное массивное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вода закипает, вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), вода начинает периодически смачивать поверхность, и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение). В этом примере кипение протекает в нестационарных условиях во времени.

На рис. 3.3 показана визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке, находящейся в воде.

рис. 3.3 визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке: а) - пузырьковый и б) - пленочный режим кипения.

На практике часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для тепловых электрических нагревателей, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и, приближенно, в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой. В условиях q = const температура поверхности t c и соответственно температурный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает ряд важных особенностей. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 3.2, и процесс развивается так же, как это было описано выше. Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока q кр1 . Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой q кр1 , которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q - q кр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности. На рис. 3.2 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке q кр1 . Однако обычно это сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом).

Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 3.2). Лишь при достижении q кр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева. Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис. 3.2 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при q = q кр2 .

Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q , подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока q кр1 и q кр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб. Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена.

Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), описанные выше условия остаются в силе, но вместе с этим появляется ряд новых особенностей.

Вертикальная труба . Труба или канал представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходят непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Соответственно этому изменяется и гидродинамическая структура потока, как по длине, так и по поперечному сечению трубы. Соответственно изменяется и теплоотдача.

Наблюдается три основные области с разной структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх (рис. 3.4): I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, где Т с =Т н ); II – область кипения (испарительный участок, от сечения, где Т с =Т н , i ж < i н, до сечения, где Т с =Т н , i см → i н); III – область подсыхания влажного пара.

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением насыщенной жидкости.

На рис. 3.4 схематично показан структура такого потока. Участок 1 соответствует подогреву однофазной жидкости до температуры насыщения (экономайзерный участок). На участке 2 происходит поверхностное пузырьковое кипение, при котором теплоотдача увеличивается по сравнению с участком 2. На участке 3 имеет место эмульсионный режим, при котором двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней сравнительно небольших пузырьков, которые в дальнейшем сливаются, образуя крупные пузыри-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. При пробковом режиме (участок 4) пар движется в виде отдельных крупных пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. Далее на участке 5 в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы – тонкий кольцевой слой жидкости. Толщина этого слоя жидкости постепенно уменьшается. Данный участок соответствует кольцевому режиму кипения, который заканчивается при исчезновении жидкости на стенке. На участке 6 происходит подсушивания пара (повышение степени сухости пара). Поскольку процесс кипения завершен, то теплоотдача снижается. В дальнейшем, вследствие увеличения удельного объема пара, скорость пара увеличивается, что ведет к некоторому увеличению теплоотдачи.

Рис.3.4 – Структура потока при кипении жидкости внутри вертикальной трубы

Увеличение скорости циркуляции при заданных q с , длине трубы и температуры на входе приводит к уменьшению участков с развитым кипением и увеличению длины экономайзерного участка; с увеличением q с при заданной скорости, наоборот, длина участков с развитым кипением увеличивается, а длина экономайзерного участка уменьшается.

Горизонтальные и наклонные трубы. При движении двухфазного потока внутри труб, расположенных горизонтально или с небольшим наклоном, кроме изменения структуры потока по длине, имеет место значительное изменение структуры по периметру трубы. Так, если скорость циркуляции и содержания пара в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в верхней части ее (рис. 3.5,а ). При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С дальнейшим увеличение содержания пара и скорости волновое движение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а потом – к кольцевому.

Рис. 3.5 – Структура потока при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы.

а – расслоенный режим кипения; б – стержневой режим; 1 – пар; 2 – жидкость.

При кольцевом режиме по всему периметру трубы устанавливается движение тонкого слоя жидкости, в ядре потока перемещается парожидкостная смесь (рис. 3.5,б ). Однако и в этом случае полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается.

если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока, то процесс кипения может происходить также при течении в трубе, недогретой до температуры насыщения жидкости, Такой процесс возникает, когда температура стенки t c превышает температуру насыщения t s . он охватывает пограничный слой жидкости непосредственно у стенки. Паровые пузырьки, попадающие в холодное ядро потока, быстро конденсируются. Этот вид кипения называют кипением с недогревом .

Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в технических устройствах.

3.1.2. Теплообмен при пузырьковом кипении.

Наблюдения показывают, что при увеличении температурного напора Δt = t c -t s , а также давления р на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева. Вследствие этого увеличиваются турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки также интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя. Все это способствует улучшению теплоотдачи. В целом процесс пузырькового кипения носит довольно хаотичный характер.

Исследования показывают, что на технических поверхностях нагрева число центров парообразования зависит от материала, строения и микрошероховатости поверхности, наличия неоднородности состава поверхности и адсорбированного поверхностью газа (воздуха). Заметное влияние оказывают различные налеты, окисные пленки, а также любые другие включения.

Наблюдения показывают, что в реальных условиях центрами парообразования обычно служат отдельные элементы неровности и микрошероховатости поверхности (предпочтительно различные углубления и впадины).

Обычно на новых поверхностях число центров парообразования выше, чем на тех же поверхностях после длительного кипения. В основном это объясняется наличием адсорбированного поверхностью газа. Со временем газ постепенно удаляется, он смешивается с паром, находящимся в растущих пузырьках, и выносится в паровое пространство. Процесс кипения и теплоотдача стабилизируются во времени и по интенсивность.

На условия образования паровых пузырьков большое влияние оказывает поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и пара.

Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р п выше давления окружающей его жидкости р ж. Их разность определяется уравнением Лапласа

(3-1)

где σ- поверхностное натяжение; R - радиус пузырька.

Уравнение Лапласа выражает условие механического равновесия. Оно показывает, что поверхностное натяжение наподобие упругой оболочки «сжимает» пар в пузырьке, причем тем сильнее, чем меньше его радиус R .

Зависимость давления пара в пузырьке от его размера накладывает особенности на условие теплового или термодинамического равновесия малых пузырьков. Пар в пузырьке и жидкость на его поверхности находятся в равновесии, если поверхность жидкости имеет температуру, равную температуре насыщения при давлении пара в пузырьке, t s (р п). Эта температура выше, чем температура насыщения при внешнем давлении в жидкости t s (р ж). Следовательно, для осуществления теплового равновесия жидкость вокруг пузырька должна быть перегрета на величину t s (р п)-t s (р ж).

Следующая особенность заключается в том, что это равновесие оказывается неустойчивым . Если температура жидкости несколько превысит равновесное значение, то произойдет испарение части жидкости внутрь пузырьков и его радиус увеличится. При этом согласно уравнению Лапласа давление пара в пузырьке понизится. Это приведет к новому отклонению от равновесного состояния. Пузырек начнет неограниченно расти. Так же при незначительном понижении температуры жидкости часть пара сконденсируется, размер пузырька уменьшится, давление пара в нем повысится. Это повлечет за собой дальнейшее отклонение от равновесных условий, теперь уже в другую сторону. В итоге пузырек полностью сконденсируется и исчезнет.

Следовательно, в перегретой жидкости не любые случайно возникшие маленькие пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение, отвечающее рассмотренным выше условиям неустойчивого механического и теплового равновесия. Это минимальное значение

(3-2а)

где производная представляет собой физическую характеристику данного вещества, она определяется уравнением Клапейрона - Клаузиса

(3-3)

т. е. выражается через другие физические постоянные: теплоту фазового перехода r , плотности пара ρ п и жидкости ρ ж и абсолютную температуру насыщения T s .

Уравнение (3-2) показывает, что если в отдельных точках поверхности нагрева появляются паровые зародыши, то способностью к дальнейшему самопроизвольному росту обладают лишь те из них, радиус кривизны которых превышает значение R min . Поскольку с ростом Δt величина R min снижается, уравнение (3-2) объясняет

экспериментально наблюдаемый факт увеличения числа центров парообразования при повышении температуры поверхности.

Увеличение числа центров парообразования с ростом давления также связано с уменьшением R min , ибо при повышении давления величина p′ s растет, а σ снижается. Расчеты показывают, что для воды, кипящей при атмосферном давлении, при Δt = 5°С R min = 6,7 мкм, а при Δt = 25°С R min = 1,3 мкм.

Наблюдения, проведенные с применением скоростной киносъемки, показывают, что при фиксированном режиме кипения частота образования паровых пузырьков оказывается неодинаковой как в различных точках поверхности, так и во времени. Это придает процессу кипения сложный статистический характер. Соответственно скорости роста и отрывные размеры различных пузырьков также характеризуются случайными отклонениями около некоторых средних величин.

После достижения пузырьком определенного размера он отрывается от поверхности. Отрывной размер определяется в основном взаимодействием сил тяжести, поверхностного натяжения и инерции. Последняя величина представляет собой динамическую реакцию, возникающую в жидкости вследствие быстрого роста пузырьков в размерах. Обычно эта сила препятствует отрыву пузырьков. Кроме того, характер развития и отрыва пузырьков в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Смачивающая способность жидкости характеризуется краевым углом θ, который образуется между стенкой и свободной поверхностью жидкости. Чем больше θ, тем хуже смачивающая способность жидкости. Принято считать, что при θ <90° (рис. 3.6, а ), жидкость смачивает поверхность, а при θ >90° - не смачивает. Значение краевого угла зависит от природы жидкости, материала, состояния и чистоты поверхности. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко (рис. 3.7, а ). Если же жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку (рис. 3.7, б ) и отрываются по перешейку, или парообразование происходит по всей поверхности.

Кипение - процесс интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или выше этой температуры.

При кипении поглощается теплота фазового перехода, поэтому для осуществления стационарного процесса кипения необходим повод теплоты (см. формулу (5.4)).

Различают поверхностное и объемное кипение. Объемное кипение жидкости встречается достаточно редко (например, при резком уменьшении давления) и, в этом случае, температура жидкости становится больше температуры насыщения при данном давлении. В нашем курсе будем рассматривать только теплообмен при кипении на твердых поверхностях или поверхностное кипение.

Процесс кипения зависит от граничных условий теплообмена, давления среды, физических свойств жидкости, пара и твердой стенки, состояния твердой поверхности, геометрии системы, режима движения жидкости и т.д. Поэтому разработать математическую модель процесса кипения не представляется возможным и все сведения о механизме кипения получены опытным путем.

При этом используется следующая классификация видов кипения:

По роду или режиму кипения - пузырьковое или пленочное;

По типу конвекции - при свободной (в большом объеме) или при вынужденной;

По расположению поверхности кипения - у вертикальной, наклонной или горизонтальной поверхности;

По характеру - неразвитое, неустойчивое, развитое.

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется температурное поле (рис. 5.6 ,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

При кипении на твердых поверхностях можно выделить две области с разным по характеру изменением температурного поля: тепловой пограничный слой и тепловое ядро в жидкости.

Тепловой пограничный слой - весьма тонкий слой жидкости, прилегающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис. 5.6).

Тепловое ядро жидкости - вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного слоя.

В зависимости от конкретных условий теплообмена перегрев жидкости вблизи стенки или перегрев стенки может составлять величину 5 ÷ 35 °C. Дело в том, что паровые пузырьки зарождаются не в любой точке поверхности теплообмена, а только в, так называемых, центрах парообразования - микровпадинах (трещинах, кавернах и т.п.), в которых сила поверхностного натяжения жидкости минимальна.

Рис.5.6. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды

(T w = 111,8 0 C, p н = 1 бар):

а - картина процесса кипения; б - распределение температуры; 1 - поверхность теплообмена (стенка); 2 - насыщенный водяной пар; 3 - поверхность воды; 4 - всплывающие паровые пузыри; 5 - внешняя граница пограничного слоя; T пов.ж - температура поверхности жидкости; T w - температура поверхности теплообмена (стенки); T н - температура насыщения жидкости при заданном давлении; p н - давление насыщения; δ пс - толщина пограничного слоя; Q - тепловой поток от стенки к воде; G п - массовый расход пара

Для того чтобы паровой пузырь образовался в микровпадине, необходимо, чтобы ее размеры были больше некоторого минимального или критического радиуса пузырька:

где - сила поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения, Н/м; - перепад давления между паром в пузыре (p п) и окружающей его жидкостью (p н). Перепад давления рассчитывают по формуле

, (5.26)

в которой r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; p н - давление насыщения пара, Па; - перепад температур между стенкой и жидкостью, ºC (K); R г - газовая постоянная, Дж/(кг·К); T н - температура насыщения, К.

Заметим, что с увеличением перегрева стенки и ростом давления насыщения p н критически радиус парового пузыря уменьшается и впадины меньших размеров могут служить центрами парообразования, что в итоге приводит к интенсификации кипения.

Режимы кипения в большом объеме (кривая кипения)

Для анализа процесса кипения широко используется экспериментально полученная зависимость между плотностью теплового потока (q), подводимого к обогреваемой поверхности, и температурным перепадом , график которой показан на рис. 5.7. Это график в научно-технической литературе называют "кривой кипения". На этой кривой выделяют несколько интервалов , соответствующих различным режимам теплоотдачи, название которых приведено в тексте, поясняющем рис. 5.7.

Пузырьковый режим кипения наблюдается при значениях соответствующих второй области на кривой кипения. Радиус межфазной поверхности пузырька - зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначительном перегреве жидкости, "работают" лишь крупные центры парообразования, поскольку пузырьки - зародыши малых центров парообразования имеют радиус меньше критического. В этом случае происходит неустойчивое или слаборазвитое пузырьковое кипение. С увеличением перегрева жидкости активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают. В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро увеличивается (см. рис. 5.7, область 2).

Интенсивность теплоотдачи обусловлена термическим сопротивлением теплопроводности тонкой жидкой пленки, которая смачивает твердую поверхность и находится под областью паровых пузырей. С увеличением количества и частоты отрыва пузырей жидкая прослойка разрушается (турбулизируется) и ее термическое сопротивление уменьшается.

Коэффициент теплоотдачи (a) при развитом пузырьковом кипении достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м 2 К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара.

Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим кипения применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических и химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

При дальнейшем увеличении перегрева стенки равном перегреву жидкости в пограничном слое () интенсивность теплоотдачи, достигнув максимума в критической точке "кр1", начинает снижаться (см. рис.5.7, область 3) из-за слияния все возрастающего количества пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения DT и охватывает в итоге всю стенку, превращаясь в сплошную паровую пленку, плохо проводящую теплоту. Таким образом, происходит постепенный переход от пузырькового режима кипения к пленочному, сопровождающийся снижением интенсивности теплоотдачи.

Начало такого перехода называют первым кризисом кипения . Под кризисом понимают коренное изменение механизма кипения и теплоотдачи.

При дальнейшем увеличении перегрева (DT) интенсивность теплоотдачи, достигнув минимума во второй критической точке "кр2", снова начинает возрастать в области пленочного режима кипения (см. рис. 5.7, области 4 и 5). Такую перемену характера влияния перегрева на теплоотдачу называют вторым кризисом кипения .

Рис. 5.7. Изменение плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи от перегрева жидкости в пограничном слое

1 - конвективная область без кипения; 2 - область пузырькового кипения; 3 - переходная область; 4 - область пленочного кипения; 5 - участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 - соответственно точки первого и второго кризисов кипения

В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет жидкость от поверхности, и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент теплоотдачи перестает снижаться, оставаясь практически постоянным. Тепловой поток согласно закону Ньютона (5.1) снова начинает увеличиваться из-за возрастания температурного напора DT. Заметим, что увеличение теплового потока в области развитого пленочного кипения (при больших DT) происходит и из-за возрастания переноса теплоты излучением в паровой прослойке.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме кипения весьма низка, что приводит к сильному перегреву поверхности теплообмена.

Два вида перехода от пузырькового режима к пленочному

В зависимости от граничных условий теплообмена на поверхности теплообмена переход от пузырькового режима к пленочному может происходить, либо следуя кривой кипения (рис. 5.8, а ), либо скачкообразно (рис. 5.8, б ). Постепенный переход от развитого пузырькового кипения к пленочному имеет место при регулируемой температуре стенки (граничные условия I рода), а скачкообразный - при постоянном тепловом потоке, поступающем от стенки к жидкости (граничные условия II рода).

Для объяснения этого явления запишем формулу для расчета плотности теплового потока через тепловой пограничный слой (см. рис. 5.6):

, (5.27)

где - перепад температур в пограничном слое; - термическое сопротивление пограничного слоя; - толщина пограничного слоя (см. рис. 5.6); - коэффициент теплопроводности пограничного слоя.

При заданной постоянной температуре стенки (T w) перепад температур () не зависит от процесса теплообмена. Поэтому, при увеличении термического сопротивления пограничного слоя в переходной области вследствие ухудшения теплопроводных свойств пристенного слоя (), тепловой поток начинает уменьшаться () (см. рис. 5.8, а ).

а) ГУ I рода б) ГУ II рода

Рис. 5.8. Два вида перехода от пузырькового режима кипения к пленочному

При заданном постоянном тепловом потоке () увеличение термического сопротивления () приводит к скачкообразному росту перепада температур в пограничном слое () и, следовательно, к перегреву стенки () и возможному ее разрушению.

При снижении тепловой нагрузки переход к пузырьковому кипению произойдет скачком при минимальной тепловой нагрузке.

Расчет теплоотдачи при кипении

Все формулы расчета теплоотдачи при кипении получены на основе обработки многочисленных экспериментальных данных учеными разных научных школ. Поскольку условия проведения опыта у разных экспериментаторов точно не совпадали, то и , рассчитанные по формулам разных авторов, могут существенно отличаться. Поэтому ниже приведем только простейшие по форме, но достаточно апробированные расчетные формулы по теплоотдаче при кипении.

А. Пузырьковое кипение в большом объеме

Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву жидкости и давлению p н. В силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле

(5.28)

или, выражая перепад температур из закона теплоотдачи Ньютона и подставляя в формулу (5.28), получим:

, (5.29)

где C 1 , C 2 , k, z, m, n - коэффициенты, полученные в результате статистической обработки экспериментальных данных.; DT - перегрев стенки, 0 С (K); р н - давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар ; q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Для расчета теплоотдачи при кипении воды формулы (5.28) и (5.29) принимают вид

(5.30)

. (5.31)

Формулу (5.30) используют в расчетах пузырькового кипения при граничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (), а формулу (5.31) применяют в расчетах кипения при граничных условиях второго рода (заданная величина - плотность теплового потока (q) на поверхности стенки). Определив по формуле (5.31), несложно найти перегрев стенки (жидкости в пограничном слое) и температуру стенки

(5.32)

Б. Пленочное кипение в большом объеме

Схема пленочного кипения показана на рис. 5.9. Из рисунка видно, что наблюдается

Рис. 5.9. К расчету пленочного кипения

аналогия процессов конденсации и пленочного кипения. Поэтому формулы для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении имеют вид:

Кипение на вертикальной поверхности

; (5.33)

Кипение на горизонтальной трубе

, (5.34)

где плотность, коэффициент теплопроводности и динамический коэффициент вязкости пара; - плотность жидкости; r - скрытая теплота парообразования.

В качестве определяющей температуры в формулах (5.33) и (5.34) принята температура насыщения при данном давлении.

В. Расчет первого кризиса кипения

Расчет максимальной плотности теплового потока при пузырьковом режиме кипения (критической тепловой нагрузки) проводят по формуле

в которой - сила поверхностного натяжения жидкости; - плотность жидкости и пара; r - скрытая теплота парообразования.

Г. Расчет теплоотдача при кипении в трубах и каналах

Теплоотдача при кипении в трубах и каналах существенно отличается от теплоотдачи при кипении в большом объёме, потому что процесс непрерывного парообразования оказывает существенное влияние на гидродинамику течения, а, следовательно, и на теплообмен. При кипении в трубах с постоянным подводом теплоты происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фазы. Гидродинамическая структура двухфазного потока также зависит от расположения труб и каналов в пространстве.

В настоявшее время математическое моделирование течения и теплообмена двухфазных потоков чрезвычайно сложная и трудоемкая задача, поэтому информацию об уровне теплоотдачи при кипении в трубах и каналах получают из эксперимента. На рис. 5.10. изображена зависимость коэффициента теплоотдачи в зависимости от плотности теплового потока, поступающего на поверхность трубы и скорости течения двухфазного флюида. При малых скоростях течения коэффициент теплоотдачи не зависит от скорости, а зависит только от теплового потока (тепловой нагрузки), поступающего к пароводяной смеси (участок 1). В этом случае расчет теплоотдачи при кипении в трубах аналогичен расчету при кипении в большом объеме. При больших скоростях двухфазного потока, наоборот, теплоотдача зависит только от скорости течения флюида - наблюдается турбулентный режим конвективного теплообмена (участок 3). Существует и переходный участок от режима кипения воды в большом объеме до режима конвективного теплообмена при турбулентном течении в трубах.

Окончательный расчет коэффициент теплоотдачи выполняют следующим образом:

а) если , то ;

б) если , то ;

в) если , то ,

где поправочный коэффициент на теплоотдачу при кипении рассчитывается по формуле:

. (5.38)

Теплообмен при кипении жидкостей

Общие представления о процессе кипения. Кипением называют процесс образования пара внутри объема жидкости. Условия протекания этого процесса своеобразны и сложны.

Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т. е. превышение температуры жидкости - t ж относительно температуры насыщения - t s при заданном давлении - p.

Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при нормальном давлении. Однако, в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы. При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы, служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе теплоты через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, так называемых центрах парообразования. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру. Для практики этот вид кипения представляет наибольший интерес. Рассмотрим его основные характеристики.

По мере увеличения температуры поверхности нагрева t Q и соответственно температурного напора At = t c -t s число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным.

Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает ее. Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2-0,4°С (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 Распределение температур в объеме кипящей жидкости

На рис. 5.2, а схематически показана картина пузырькового режима кипения жидкости. При повышении температурного напора At значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

где Q - тепловой поток, Вт; г - теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; G" - количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с.

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора растет не беспредельно. При некотором значении он достигает максимального значения, а при дальнейшем повышении At начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим кипения называют пузырьковым. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают

Рисунок 5.2 Процесс кипения жидкости

Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ; соответствующее критическое значение температурного напора . Эти величины относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий
и других жидкостей величины будут иными).

При больших значениях наступает второй, переходный режим кипения (рис. 5.2, б). Он характеризуется тем, что, как и на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости.

Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. Так наступает третий, пленочный режим кипения (рис. 5.2, в). Перенос теплоты в режиме пленочного кипения от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет излучения. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая. Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Минимальное значение тепловой нагрузки при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока . При атмосферном давлении для воды, кипящей на технических металлических поверхностях, момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором , т. е. температура поверхности составляет примерно 250°С.

Различают теплоотдачу при кипении жидкости в условиях свободной конвекции и теплоотдачу при кипении в условиях вынужденного движения жидкости в трубах. При кипении большого объема жидкости на горизон-тальной поверхности в условиях свободной конвекции большая часть жидкости по высоте имеет температуру, которая только на 0,4¸0,8 о С превышает температуру насыщения (кипения) Т S . Жидкость перегревается относительно температуры насыщения в тонком слое вблизи стенки. Перегрев возможен потому, что здесь нет постоянной поверхности раздела жидкости и пара. Процесс парообразования может происходить только после возникновения паровых пузырьков. Такие пузырьки возникают в центрах парообразования. Центрами парообразования могут служить шероховатости поверхности нагрева, а также пузырьки воздуха или газа, выделяющегося из жидкости или твердой стенки при нагреве. Вероятность возникновения паровых пузырьков увеличивается с ростом степени перегрева жидкости. Поэтому паровые пузырь-ки должны возникать, прежде всего, на поверхности нагрева или вблизи от нее. При значительном перегреве паровые пузырьки могут возникать и внутри жидкости. Пар имеет меньшую теплопроводность, чем жидкость, поэтому вблизи пузырька перегрев жидкости, на поверхности нагрева, увеличивается. Размеры пузырька быстро растут, и под действием подъемной силы он отрывается от стенки и поднимается к свободной поверхности жидкости.

Диаметр парового пузырька в момент отрыва от твердой поверхности зависит от разности плотностей жидкости и насыщенного пара при температуре кипения , от коэффициента поверхностного натяжения жидкости s и от краевого угла q, характеризующего смачиваемость поверхности жидкостью. Этот диаметр определяют по формуле

(6.1)

где g – ускорение свободного падения.

Паровые пузырьки, проходя через жидкость, перемешивают ее, что интенсифицирует теплообмен. Поэтому частота отрыва пузырьков и число действующих центров парообразования определяют интенсивность теплообмена при кипении. Исследование процесса кипения воды показывает, что около 95 % пара образуется во время движения пузырей и только 5 % – во время пребывания их на поверхности нагрева.

Величина температурного напора DТ=Т С -Т Ж @ Т C -T S определяет механизм парообразования и интенсивность теплообмена. Впервые зависимость плотности теплового потока от температурного напора при кипении воды опытным путем получил японский ученый Нукияма. Эта зависимость (кривая Нукиямы), а также зависимость коэффициента теплоотдачи от того же напора изображены на рис. 6.1.

Как видно на рис. 6.1, в зоне А при небольших температурных напорах количество отделяющихся от поверхности нагрева пузырьков невелико, и они не способны еще существенно перемешать жид-кость. В этих условиях теплоот-дача определяется только свобод-ной конвекцией жидкости, и коэффициент теплоотдачи слабо увеличивается с ростом DТ, такой режим называют конвективным. Для воды при давлении 1 бар (760 мм рт. ст.) конвективный режим наблюдается до DТ@5 0 С, а плотность теплового потока достигает около 6000 вт/м 2 . В зоне В при увеличении температурного напора растет число действующих центров парообразования несколько увеличивается частота отрыва пузырьков. Они интенсивно перемешивают жидкость и наступает режим развитого пузырькового кипения, при котором коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока резко возрастают. Режим, отвечающий максимальной плотности теплового потока, называют первым критическим. Этому режиму, например, для воды, кипящей при атмосферном давлении, отвечает критический температурный напор равен DТ КР1 =25 0 С, критический коэффициент теплоотдачи a КР1 =5,8×10 4 вт/м 2 ×град и критическая плотность теплового потока q КР1 =1,45 ×10 6 вт/м 2 , т. е. при этих условиях плотность теплового потока больше, чем в начале развитого пузырькового кипения в 250 раз. Зона С может быть реализована в опытах только при граничных условиях первого рода, когда на поверхности задается температура или температурный напор DТ. Например, при нагреве поверхности газовой горелкой с регулируемой температурой пламени. В этом случае число центров парообразования становится большим, паровые пузырьки объединяются в пленку, которая покрывает отдельные участки поверхности теплообмена, отделяя на этих участках поверхность от жидкости слоем пара, что приводит к уменьшению плотности теплового потока. Пленки пара непрерывно разрушаются и уходят от поверхности нагрева в виде больших пузырей.. При увеличении температурного напора DТ поверхность этих пленок увеличивается, коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока уменьшаются вследствие тепловой изоляции поверхности нагрева от жидкости пленкой малотеплопроводного пара. Такое кипение называют переходным. Наконец, при некотором температурном напоре DТ КР2 отдельные пленки пара объединяются, покрывая всю поверхность теплообмена пленкой пара. При этом плотность теплового потока достигает своего минимального значения, которое называют второй критической нагрузкой q КР2 . При этом коэффициент теплоотдачи в 20–30 раз меньше его максимального значения. Когда пленка пара покрывает всю поверхность нагрева (зона D), условия теплообмена стабилизируются и при увеличении температурного напора DТ коэффициент теплоотдачи остается почти неизменным. Плотность теплового потока при этом увеличивается пропорционально DТ. Такое кипение называют пленочным.

При задании на поверхности теплообмена плотности теплового потока (т.е. граничных условий второго рода), например, электрообогрев поверхности, тепловыделяющие элементы кипящих ядерных реакторов зону С переходного кипения реализовать не удается. Увеличение плотности потока тепла больше, чем первая критическая плотность теплового потока q КР1 , приводит к скачкообразному переходу кипения в область пленочного режима. При этом резко возрастает DТ и, следовательно, температура стенки, что, возможно, ее разрушение. Поэтому в эксплуатации подобных установок желательно реализовать температурные напоры несколько меньше критических, но близкие к ним, для получения высокой интенсивности теплообмена. Для увеличения зоны температурных напоров вблизи критической тепловой нагрузки и, следовательно, уменьшения опасности «срыва» в пленочный режим кипения, что особенно опасно в случае ядерных кипящих реакторов, предложено поверхность теплообмена оребрять . Это увеличивает плотность теплового потока в основании ребра в 7– 8раз, по сравнению с q кр1 , и увеличивает зону температурных напоров DТ кр ~ в 10 раз.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей на не оребренных поверхностях используют уравнение подобия С.С. Кутателадзе и В.М. Боришанского

(6.2)

Ими же получена формула для первой критической тепловой нагрузки

(6.3)

где q – плотность теплового потока;

p – давление;

r – теплота парообразования.

За определяющую температуру в этих уравнениях принята температура кипения жидкости.

Для конкретных жидкостей расчетные формулы существенно упрощаются. Например, для воды при абсолютном давлении p=1,01¸27,5 бар

(6.4)

Для этилового спирта при абсолютном давлении p=1,01¸7,85 бар

(6.5)

В этих формулах плотность теплового потока измеряется q – вт/м 2 , а давление p – бар. Эти формулы справедливы только для жидкостей, смачивающих твердые поверхности. При больших давлениях интенсивность теплообмена повышается, так как увеличивается число центров парообразования и частота отрыва пузырьков. Форма и размеры поверхности практически не влияют на коэффициент теплоотдачи при кипении. Высота слоя жидкости также не влияет на интенсивность теплоотдачи, если она больше 20¸30 мм. Материал и состояние поверхности теплообмена влияют на теплоотдачу только в начальный период ее работы. По истечении некоторого времени работы поверхность приобретает «собственную» шероховатость, которая зависит от природы жидкости.

Первая критическая плотность теплового потока зависит от шероховатости и ориентации поверхности нагрева. Шероховатость повышает плотность теплового потока, а для вертикальной стенки критическая нагрузка больше, чем для горизонтальной.

Теплоотдача при кипении в условиях вынужденного движения жидкости в трубах имеет ряд особенностей, обусловленных изменением температуры стенки и жидкости вдоль трубы. Температура кипения жидкости по длине трубы уменьшается благодаря уменьшению давления из-за гидравлического сопротивления.

По условиям теплообмена трубу по длине условно можно подразделить на три участка. Во входном участке температура стенки трубы меньше температуры насыщения. Протекая через этот участок, жидкость подогревается, и теплообмен не сопровождается кипением. Это обычная теплоотдача при вынужденной конвекции жидкости. На втором участке трубы температура стенки превышает температуру насыщения. Но ядро потока жидкости не достигло еще этой температуры. Пузырьки пара, отделяющиеся от поверхности теплообмена, частично или полностью конденсируются в центральной части потока. Это участок кипения недогретой жидкости. К началу третьего участка центральная часть потока достигает температуры насыщения. На этом участке имеет место развитое пузырьковое кипение. Паросодержание на этом участке может достигать большой величины. По трубе здесь движется двухфазный поток. Увеличение паросодержания сопровождается ростом скорости потока и градиента давления вдоль трубы. При кипении воды влияние паросодержания на коэффициент теплоотдачи можно учесть по формуле

(6.6)

где Di – разность энтальпий на входе и выходе из трубы.

Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении от скорости потока жидкости определяется величиной тепловой нагрузки. Коэффициент теплоотдачи при небольшой тепловой нагрузке целиком определяется условиями движения жидкости и практически не зависит от величины плотности теплового потока. При очень больших плотностях теплового потока влиянием условий движения жидкости на теплоотдачу можно пренебречь, так как коэффициент теплоотдачи целиком определяется процессом кипения. Однако существует область режимов, где влияния движения жидкости и процесса кипения на теплообмен сопоставимы, и коэффициент теплоотдачи зависит от обоих факторов. Опытные данные по теплоотдаче кипящих жидкостей, движущихся по трубам, при паросодержании, не превышающим 70 %, Д. А. Лабунцов обработал в виде зависимости

(6.7)

где a – коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости с учетом ее вынужденного движения;

a w – коэффициент теплоотдачи однофазной не кипящей жидкости при ее скорости w;

a q – коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении.

Оказалось, что при a q / a w < 0,5 процесс кипения не влияет на теплообмен, и поэтому можно принять a = a w . При a q / a w > 2 интенсивность теплообмена определяется только кипением, и поэтому в расчетах полагают a = a q . Для области, где коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока жидкости и тепловой нагрузки (a q /a w = 0,5¸2) рекомендуется следующая интерполяционная формула

(6.8)

При кипении коэффициент теплоотдачи зависит от содержания растворенных в жидкости газов. Пузырьки газа служат центрами парообразования и поэтому интенсифицируют теплообмен. Рассмотренные выше уравнения относятся к дегазированной жидкости. При содержании газа 0,06¸0,3 см 3 / л коэффициент теплоотдачи увеличивается на 20¸60 % по сравнению с кипением дегазированной жидкости. Критическая плотность теплового потока q КР1 также зависит от скорости потока жидкости, причем эта зависимость имеет место даже в случаях, при которых коэффициент теплоотдачи от скорости не зависит. Вынужденное движение жидкости вдоль поверхности нагрева затрудняет образование паровой пленки. Поэтому с увеличением скорости течения жидкости критическая тепловая нагрузка возрастает. При кипении недогретой жидкости критическая плотность теплового потока больше, чем при кипении жидкости, имеющей температуру насыщения. В этом случае поступление недогретой жидкости из ядра потока в пристеночный слой способствует разрушению паровой пленки. Влияние недогрева жидкости до температуры насыщения на критическую плотность теплового потока q КР1 можно оценить по эмпирической формуле

(6.9)

где – критическая плотность теплового потока при кипении недогретой жидкости;

J = T S – Т Ж;

Т Ж – средняя температура жидкости;

с – теплоемкость жидкости.

На величину критической плотность теплового потока q КР1 влияет пульсация скорости потока жидкости. За счет этих пульсаций скорости, как показывают опыты, критическая плотность теплового потока может уменьшиться в два раза.

Похожая информация.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства