Режимы кипения жидкости. Теплообмен при конденсации и кипении
Кипение - процесс парообразования, сопровождающийся бурным выделением пузырьков пара; это один из наиболее сложных процессов, обеспечивающих наибольшую интенсивность теплообмена. Особенности процесса рассмотрим сначала на примере кипения в большом объеме, хотя такое кипение не очень часто встречается в технике.
Если рассматривать отдельный пузырек пара внутри кипящей жидкости, можно отметить, что со стороны жидкости на пар действует не только сила давления р н, но и дополнительная сила, создаваемая поверхностным натяжением жидкости
где R - радиус пузырька; с - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Таким образом, существование и рост пузырька возможны только тогда, когда жидкость имеет температуру, несколько большую, чем температура насыщения, т.е. перегрета настолько, чтобы уравновесить величину Ар =а/2 R. В таком случае при испарении объем пузырька будет расти, а давление в нем - постепенно приближаться к р н.
Экспериментальные исследования полностью подтверждают эти рассуждения. На рис. 2.61 показаны образование, отрыв и всплытие пузырьков пара и изменение температуры внутри кипящей жидкости. Из рисунка видно, что заметный перегрев имеет место только в пристенном слое жидкости, где сильно проявляется влияние ее теплопроводности и где находится зона возникновения пузырьков. В основном же объеме жидкости в результате активного перемешивания температура жидкости практически одинакова и степень перегрева незначительна.
Наибольший перегрев возникает в зоне непосредственного контакта жидкости с горячей стенкой: At - t c - / н; здесь At - q/a, и величина этого перегрева зависит от передаваемого теплового потока q.
При небольших q или в начале кипения, когда перегрев жидкости еще небольшой, возникающие пузырьки пара очень малы и силы поверхностного натяжения не позволяют им расти, поскольку перегрев жидкости недостаточен. В результате возникает так называемое пристенное кипение, когда образующиеся пузырьки пара здесь же конденсируются и до поверхности практически не доходят.
В тех местах поверхности, где имеются микротрещины, микронеровности, царапины или пузырьки выделившегося растворенно-
Р и с. 2.61. Кипение в большом объеме и зависимость t =J{h)
го воздуха, перегрев жидкости будет большим и возникнут регулярные центры парообразования. С увеличением тепловой нагрузки q число таких центров и перегрев жидкости растут и начинается обычное кипение. Форма пузырька зависит от того, смачивает или не смачивает (это бывает реже) жидкость поверхность теплоотдачи (рис. 2.62). С течением времени объем пузырька растет, и когда подъемные силы станут больше сил сцепления, произойдут отрыв и всплытие пузырька. На его месте образуется, растет и вновь отрывается новый пузырек.
Образование, рост и отрыв пузырьков приводят к значительной турбулизации слоя жидкости, непосредственно соприкасающегося со стенкой. Именно этим объясняется очень высокая интенсивность теплоотдачи при кипении. Ведь во всех остальных случаях возле стенки всегда находится неподвижный слой жидких комков, а здесь и этот слой находится в движении.
С увеличением q увеличиваются перегрев жидкости и число центров парообразования, возрастают интенсивность кипения и величина а. При некоторой критической нагрузке q Kp число центров парообразования возрастает настолько, что пузырьки пара как бы отгораживают жидкость от стенки. Образуется нестабильная пленка пара, через которую теплота передается в основном теплопроводностью. При этом величина а резко уменьшается, так как пар имеет малую теплопроводность. Такое кипение называют пленочным, а переход к нему - кризисом кипения. На рис. 2.63 приведена так называемая кривая кипения, показывающая, как изменяется величина ос при изменении q. Из рисунка видно, что переход к пленочному кипению, происходящий при нагрузке q KpX , сопровождается резким уменьшением а. Обратный же переход от пленочного кипения к пузырьковому происходит при другой, гораздо меньшей нагрузке q Kp2 .
Кризис кипения - явление нежелательное и очень опасное, так как приводит к перегреву материала стенки и уменьшению ее механической прочности. Действительно, записав известную формулу
Рис. 2.62.
видим, что при практически неизменной величине q резкое уменьшение а возможно лишь при таком же увеличении разницы t c - t H , т. е. при увеличении t c . С увеличением t c прочность стенки уменьшается, и она может не выдержать действующих на нее механических напряжений. Кризис кипения явился причиной многих трагических аварий в теплоэнергетике, включая и Чернобыльскую катастрофу. Поэтому при проектировании парогенерирующего оборудования назначают рабочую тепловую нагрузку q так, чтобы она не превышала величины q Kp2 . Это возможно, если перегрев жидкости невелик и температура ее не превышает температуры предельного перегрева / пп, поскольку полный контакт жидкости со стенкой возможен только при t c / пп. Величина / пп для разных жидкостей определена экспериментально и приведена в справочниках . Известны и критериальные уравнения, позволяющие рассчитать величину q Kp2 .
Рис. 2.63.
Величину коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды обычно рассчитывают по эмпирической формуле
где р н - давление насыщения, МПа; q - плотность теплового потока при кипении, Вт/м 2 .
Для расчета кипения других жидкостей предложены следующие критериальные уравнения:
Здесь - коэффициент поверхностного натяжения конденсата; р" и р" - плотности жидкости соответственно на линии насыщения и сухого насыщенного пара. Все остальные физические константы определяют для жидкости по температуре / н.
Этот вид теплоотдачи отличается высокой интенсивностью и встречается в химической технологии, например, при проведении таких процессов как выпаривание, перегонка жидкостей, в испарителях холодильных установок и др. Процесс теплоотдачи при кипении очень сложен и еще недостаточно изучен, несмотря на огромное количество проведенных исследований.
Для возникновения кипения необходимо прежде всего, чтобы температура жидкости была выше температуры насыщения, а также необходимо наличие центров парообразования. Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Первый вид кипения обусловлен подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью. Кипение в объеме жидкости обусловлено наличием внутренних источников теплоты или значительного перегрева жидкости, возникающего, например, при внезапном снижении давления (ниже равновесного). Наиболее важным в химической технологии видом кипения является кипение на поверхности.
Для передачи теплоты от стенки к кипящей жидкости необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения этой жидкости. На рис. 11-9 показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки от температурногою5
напора при кипении жидкости Δt= tст -tкіп (tст, tкіп - соответственно температура стенки со стороны кипящей жидкости и температура кипения). В области АВ перегрев жидкости мал (Δt < 5 К), мало также число активных центров парообразования - микровпадин на поверхности стенки, в которых образуются зародыши паровых пузырьков, и интенсивность теплообмена определяется в основном закономерностями теплоотдачи свободной конвекции около нагретой стенки,При дальнейшем повышении Δt =tст -t увеличивается число активных центров парообразования, и коэффициент теплоотдачи резко возрастает (отрезок ВС на рис). Эту область называют пузырчатым, или ядерным, кипением.
Высокая интенсивность теплообмена при пузырчатом режиме кипения объясняется тем, что турбулизация пограничного слоя у, поверхности стенки пропорциональна числу и объему паровых пузырей, образующихся в микровпадинах на поверхности нагрева. В областях, близких к центрам парообразования), часть жидкости испаряется, образуя паровые пузырьки, которые, поднимаясь и увеличиваясь в объеме, увлекают значительные массы жидкости. На место увлеченной и испарившейся жидкости поступают свежие потоки, создавая таким образом интенсивную циркуляцию жидкости у поверхности нагрева, что приводит к существенному ускорению процесса теплоотдачи. В точке С коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения, соответствующего максимальной удельной тепловой нагрузке (точка О). При дальнейшем увеличении Δt наблюдается резкое снижение коэффициента теплоотдачи. Оно объясняется тем, что при некотором - критическом - значении Δt= Δt кр происходит коалесценция (слияние) образующихся близко друг от друга пузырьков. При этом величина l на рис. становится меньше диаметра пузырьков пара, и у поверхности стенки возникает паровая пленка, создающая дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи резко снижается (в десятки раз). Конечно, образующаяся пленка пара нестабильна, она непрерывно разрушается и возникает вновь, но в итоге это серьезно ухудшает теплообмен. Такой режим кипения называют пленочным. Совершенно очевидно, что пленочный режим кипения крайне нежелателен.
Значения температурного напора, коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки, соответствующие переходу от пузырькового режима к пленочному, называют критическими
Паровой пузырек образуется в микровпадинах поверхности нагрева. Достигнув определенного диаметра do пузырек отрывается от поверхности. На хорошо смачиваемых поверхностях пузырек отрывается от поверхности нагрева, имея форму шара. Поднимаясь, пузырек увеличивается в объеме вследствие испарения жидкости внутрь пузырька, сплющивается и приобретает форму гриба со сложной траекторией подъема. При этом происходят непрерывное дробление и коалесценция пузырьков. Момент отрыва пузырьков соответствует состоянию равенства архимедовой силы, действующей на пузырек, и силы поверхностного натяжения жидкости, которая удерживает пузырек на стенке. Если принять, что пузырек при образовании на поверхности стенки имеет форму, близкую к сферической, то в момент отрыва величина do выражается зависимостью
где рж и рп - плотность соответственно жидкости и пара; σ поверхностное натяжение жидкости на границе раздела фаз; β-краевой угол смачивания
Таким образом, транспорт теплоты при пузырчатом кипении состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, а затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков в виде теплоты испарения. Передача теплоты от стенки непосредственно к пузырьку ничтожно мала, так как очень мала поверхность касания пузырьков со стенкой, к тому же низка теплопроводность пара. Для того чтобы теплота от жидкости передавалась пузырькам пара, жидкость должна иметь температуру несколько выше температуры пара. Поэтому при кипении жидкость несколько перегрета относительно температуры насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.
Скорость переноса теплоты при кипении зависит от многих разнообразных факторов (физических свойств жидкости, давления, температурного напора, свойств материала поверхности нагрева и многих других), учесть влияние которых на процесс и свести их в единую зависимость крайне сложно. комплекс многих величин, влияющих на интенсивность переноса теплоты при кипении
10. Лучистый теплообмен. Сложный теплообмен. Может осуществляться через любую среду за счет переноса энергии магнитными волнами инфрокрасной части диапазона. Лучистый теплообмен осуществляется при переносе в-ва через газовую среду, существующую между зоной более и менее нагретого газа. В 1-ую очередб ведут между тв.телами.
Это уравнение при коэф.охвата=1. Если излающая поверхность полностью окружает поглощаемую,
При переносе тепла через газовую среду лучеиспускания относят интенсивность этого переноса при умерен. Т-х осуществляется только в условиях естественной конвекции, т.е. наряду с лучистым теплообменом существует конвективный теплообмен. Суммарная интенсивность переноса тепла. Совместный перенос тепла за счет луч.теплообмена и конвекции наз.сложным теплообменом.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Тепловые процессы и аппараты. Виды теплообмена и теплообменных пр. Перенос тепла от одного тела к др
Тепло переносится за счет х явлений теплопроводности конвекции и лучеиспувкания теплопроводность перенос тепла за счет дв микрочастиц в газах.. теплообмен может сопровождаться охлаждением или нагреванием м б.. перенос тепла теплопроводность закон фурье произведение т по нормали к изотермам поверхности наз градиентом..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Перенос тепла через однослойную и многослойную стенку
Для плоской однослойной стенки принимают условия, то ее толщина во много раз меньше ширины, длины, высоты. В таком случае при стационарном теплообмене поле внутрен. Стенки можно принять одномерным,
Конвективный перенос теплоты. Уравнение Фурье-Киркгофа
Конвективный перенос теплоты происходит в текучих средах: газах, жидкостях, за счет перемещения макрочастиц, имеющих различные термодинамические потенциалы. С ростом скорости движе
Критерии теплового подобия. Общий вид критериальных уравнений
Nu= -критерий Нуссельта, выражает отношение общей интенсивности переноса тепла при конвективном теплообмене к интенсивности переноса тепла теплопроводностью в пограничном слое этого теплоносителя.
Общий вид критериальных уравнений
Nu=f(Pe,Pr,Re,Fo,Gr,…Г1,Г2..)
A,n,m,s,p в данном примере коэф. Опред. Методом подбора при обработке опыт. Данных. -коэф. Теплообмена
7.Теплоотдача, не сопровождающаяся
Теплоотдача при конденсации пара
Этот вид теплоотдачи протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Особенность этого процесса состоит прежде всего в том, что тепло подводится или отводится при постоянной температу
Основное уравненение теплопередачи. Правило адитивности термических сопротивлений
При непосредственном соприкосновении теплоносителей теплопередача включает в себя теплоотдачу в одном теплоносителе и теплоотдачу во втором теплоносителе.общую интенсивность процесса хар-ют
Нагревающие агенты и методы их использования
Дымовые(топочные) газы давно используются в качестве нагревательных агентов. Технология сжигания топочных газов зав. От природа сжигаемого топлива. В кач-ве окислителя обычно используют кисл
Охлаждающие агенты и методы их использования
Охлаждение до обыкновенных температур (примерно до 10-30 ⁰С) наиболее широко используют доступные и дешевые охлаждающие агента- воздух и воду. По сравнению с воздухом вода отличается большой
Поверочный расчет теплообменника
Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается, как правило, в определении количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей при их заданных
Определение коэф-та теплопередачи м-дом последовательных приближений при расчетах теплообменников
Определение коэф-та теплопередачи проводится в проверочном расчете,который проводится с целью пригодности теплообменника.
1-в соответсвии с выбранным теплообменником определяют реальную сх
Теплообменники смешения
В химических производствах обычно не требуется получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. Поэтому широко распространены конденсаторы смешения, более простые по уст
Выпаривание
Выпариванием называется концентрирование растворов практически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.
Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные рас
Материальный баланс выпаривания
На выпаривание поступает Gн кг/cек исходного раствора концентрацией xн вес. % и удаляется Gk кг/сек упаренного раствора концентрацией xk
Температура кипения раствора и температурные потери
Обычно в однокорпусных выпарных установках известны давления первичного греющего и вторичного паров, а следовательно, определены и их температуры. Разность между температурами греющего и вторичног
Движущая сила процесса
Общая разность температур многокорпусной прямоточной установки представляет собой разность между температурой первичного пара, греющего первый корпус, и температурой вторичного пара, поступающего и
Тепловой баланс
D=расход греющего пара; I ,Iг, Iн, Iк – энтальпия вторичного и греющего пара, исходного и упаренного раствора соответственно; Iп.к = с
Расход пара на выпаривание.Опред. оптимального числа корпусов выпарной установки
Q=D(tD“-tD‘)=Drp(1-α),где D-расход греющего пара; α-влагосодержание пара.
Q=GнCн(tкон-tн)+W(tw‘-Cвtкон)+Qпотер±Qконцентр.,где Cв-теплоемкость воды. Экономичность выпарной установ
Порядок расчета выпарного аппарата
1-задание должно содержать: прир. р-ра,состав исходного р-ра,его кол-во(расход исходного р-ра, концентрацию р-ренного в-ва(состав)). Исходя из этих данных можно произвести расчеты материального бал
Порядок расчета многокорпусной выпарной установки
Технологический расчет многокорпусной вакуум-выпарной установки проводят в следующей последовательности.
1. Вычислив по уравнению общее количество W воды, выпариваемой в установке,
Вертикальные трубчатые пленочные аппараты
Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции; процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости но кипятильным трубам, причем раствор движется в них в виде восходящей или нисхо
Противоточная выпарная установка
40.Массообменные процессы и аппараты. В химической технологии широко распространены и имеют важ
Методы десорбции
Десорбцию, или отгонку, т. е. выделение растворенного газа из раствора, проводят одним из следующих способов:
1) в токе инертного газа, 2) выпариванием раствора, 3) в вакууме.
Пр
Минимальный и оптимальный расход абсорбента
Изменение концентрации в абсорбционном аппарате происходит прямолинейно и следовательно, в координатах У - Х рабочая линия процесса абсорбции представляет собой прямую с углом наклона, тангенс кото
Скорость абсорбции. Интенсификация процесса при абсорбции трудно- и хорошорастворимых газов
M = Ky·F·∆Yср = Kx·F·∆Xср
Увеличение средней движущей силы приводит к увеличению скорости всего процесса, к увеличению растворения и
Насадочные абсорберы
Широкие распространение в промышленности в качество абсорберов получили насадочные, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис.) насадка укладывается на опорн
Провальные тарелки
В тарелках без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. При этом вместе с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелк
Барботажные тарелки со сливными устройствами(ситчатая, колпачковая, клапанная)
Ситчатые тарелки. Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости ввиде мелких струек и пузырьков. При малых скоростях газа, жидкость может просачиваться через отврстия тар
Струйные тарелки
1-гидравлиеский затвор;2-переливная перегородка;3-тарелка;4-пластины;5-сливной карман.
Из струйных тарелок наиболее распространенной является пластинчатая тарелка. Жидкость
Требования к абсорбентам. Выбор абсорбента
Поглощаемый газ называется абсорбатом (абсорбтив), а жидкость, в которой растворяется газ – абсорбентом. Газы, практически нерастворимые, называются инертными.
Требования:
1.Селек
Порядок расчета ректификационной колонны(установки)
Дано: расход жидкой смеси, ее состав(доли веществ в дистилляте, в кубовом остатке. Давление греющего пара, начальная температура смеси.
1) Материальный баланс.
Определяем: относит
Сушильные агенты. Выбор сушильного агента и режима сушки
В качестве сушильного агента могут использоватьсянагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар. Если не допускается соприкосновение высушиваем
Барабанная сушилка
Барабанная сушилка представляет собой цилиндрический наклонный барабан 4 с двумя бандажами З, которые при вращении барабана катятся по опорным роликам 6. Материал поступает с приподнятого конца бар
Камерная сушилка
В таких аппаратах сушка материала производится периодически при атмосферном давлении. Сушилки имеют одну или несколько прямоугольных камер, в которых материал, находящийся на вагонетках или полках,
Ленточные сушилки
Ленточные сушилки. Для непрерывного перемещения в сушилке высушиваемого материала часто применяют один или несколько ленточных транспортеров.
В одноленточных аппаратах обыч
Распылительные сушилки
Для сушки многих жидких материалов находят применение сушилки, работающие по принципу распыления материала. В распылительных сушилках сушка протекает настолько быстро, что материал не успевает нагр
Порядок расчета сушилки
1.Задание:характеристика материала, его состав, начальная влажность, как высушить, конечная влажность, производительность(расход сырья), место проведения сушки.
2.Выбор природы(вида) суши
Конструкции адсорберов периодического и непрерывного действия
Процессы адсорбции могут проводиться периодически(в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно – в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента, а также в аппаратах с неподвижным
Кипение жидкостей рассматривают в большом объеме при свободном движении или в трубах и каналах при вынужденном движении. Интенсивность теплообмена при кипении зависит от природы жидкости и ее теплофизических свойств. Определяющей температурой является температура насыщения.
Ограничимся рассмотрением теплообмена в условиях пузырькового режима кипения.
При кипении в большом объеме и заданной поверхностной плотности теплового потока (тепловой нагрузки поверхности нагрева) рассчитывают теплообмен, используя следующие зависимости:
– при < 0,01
В уравнениях приняты обозначения обобщенных переменных:
Где – характерный геометрический размер, пропорциональный критическому диаметру парового пузырька на поверхности нагрева (парообразования), м;
Где – приведенная скорость парообразования, которая характеризует объем пара, образующегося на единице площади поверхности нагрева в единицу времени, м3/(м2 с);
– удельная теплота парообразования, Дж/кг;
– плотность образующегося пара, кг/м3.
Зависимости (6.1) и (6.2) справедливы при следующих условиях: 
; 
; объемное содержание пара в кипящей жидкости не превышает 70%.
Принято записывать
Где – параметр, зависящий от теплофизических свойств жидкости, м2/Вт.
При кипении в большом объеме и заданном температурном напоре (разности температуры поверхности нагрева и температуры насыщения) используют уравнения:
– при 
– при <
Где – температурный напор, К;
– параметр, зависящий от теплофизических свойств жидкости, К– 1.
Значения параметров , и приведены для воды в приложении Г в зависимости от температуры насыщения.
Вышеприведенные расчетные зависимости используют при тепловых нагрузках меньше первой критической тепловой нагрузки, при которой наблюдается переход к пленочному режиму кипения. Значение первой критической тепловой нагрузки для воды приведены ниже:
Для определенного рода жидкости коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объеме зависит только от поверхностной плотности теплового потока и давления насыщения. Поэтому используют эмпирические зависимости.
Для воды в диапазоне давлений от 0,1 до 4 МПа получены зависимости
, (6.8)
, (6.9)
Где – давление насыщения, МПа;
При пузырьковом кипении в трубах и каналах учитывают, что теплоотдача определяется как конвекцией жидкости при ее вынужденном движении, так и процессом парообразования в кипящей жидкости.
В случае кипение при объемном паросодержании не более 70 % рассчитывают теплоотдачу следующим образом:
– находят коэффициенты теплоотдачи при вынужденном движении в трубах и при пузырьковом кипении в большом объеме (соответственно и );
– определяют коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении в трубах:
– при принимают = ;
– при 0,5 < < 2 вычисляют
; (6.10)
– при принимают = .
Для расчета коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубах в условиях турбулентного режима при >104 и отношении длины трубы к ее диаметру больше 50 используют формулу
, (6.11)
Где определяющей температурой является средняя температура среды.
Задачи
6.1. Определить коэффициент теплоотдачи от горизонтальной поверхности нагревателя к кипящей воде, находящейся под давлением 0,5 МПа.
Тепловая нагрузка поверхности нагревателя равна 1 МВт/м2.
Решение
Тепловая нагрузка поверхности нагревателя меньше первой критической при том же давлении (см. выше)
Вт/м2 < Вт/м2.
Режим кипения является пузырьковым.
При заданном давлении из приложений Б и Д выписываем параметры воды
151,84 0С; = 1,17 и = 0,684 Вт/(м К).
Определяем характеристики теплообмена при кипении воды по приложению Г
М; 
м2/Вт.
Находим по формуле (6.5)
Определяем по уравнению (6.1)
Коэффициент теплоотдачи исходя из выражения числа по уравнению (6.3)
Вт/(м2 К).
6.2. Выполнить расчет в условиях задачи 6.1 по формуле (6.8) и сравнить с результатом предыдущего расчета.
6.3. На поверхности трубчатого электронагревателя с наружным диаметром 38 мм и длиной 1 м кипит вода под давлением 480 кПа. Мощность электронагревателя 14 кВт.
Определить температуру наружной поверхности нагревателя.
6.4. Вода под давлением 1,5 МПа кипит в большом объеме. Тепловая нагрузка нагревателя составляет 1,25 МВт/м2. Определить коэффициент теплоотдачи.
Выполнить расчет по уравнениям (6.1) и (6.8).
6.5. Определить тепловую нагрузку поверхности нагрева при кипении воды в большом объеме, в котором вода находится под давлением 0,62 МПа. Температура поверхности нагрева равна 175 0С.
Решение
При давлении воды = 0,62 МПа выписываем из приложений Б и Д:
160 ºС; = 1,1 и = 0,68 Вт/(м К).
Принимаем пузырьковый режим кипения.
Из приложения Г находим
0,526 К– 1 и = м.
Определяем
В таком случае по уравнению (6.6)
Коэффициент теплоотдачи
Критическая тепловая нагрузка 
Вт/м2, что значительно больше расчетной в условиях задачи. Режим кипения является пузырьковым.
6.6. Из воды, кипящей в большом объеме, необходимо получить 250 кг сухого насыщенного пара за 1 ч. Найти необходимую поверхность нагрева, если давление пара – 0,8 МПа, а температура поверхности нагрева равна 180 ºС.
6.7. На поверхности провода электрокипятильника происходит пузырьковое кипение воды в большом объеме при давлении 0,15 МПа. Диаметр провода 3 мм, а удельное сопротивление – Ом м.
Допустимый перегрев воды равен 20 ºС.
Определить допустимую силу тока.
6.8. В парообразователе с общей площадью поверхности нагрева 12 м2 получают сухой насыщенный водяной пар давлением 0,02 МПа из кипящей воды. Определить паропроизводительность аппарата при температурном напоре на поверхности нагрева равном 17 ºС.
6.9. Вычислить коэффициент теплоотдачи при кипении воды и массу пара, получаемую в испарителе за 1 ч. Общая площадь поверхности нагрева равна 5 м2, перегрев кипящей воды на поверхности нагрева составляет 12 ºС, получаемый пар – влажный насыщенный степенью сухости 0,9, давление пара – 0,17 МПа.
6.10. Определить необходимую площадь испарительной поверхности котла паропроизводительностью 10 т/ч. Давление водяного пара – 1,4 МПа, пар является сухим насыщенным. Температурный напор на поверхности нагрева равен
10 ºС. Расчет выполнить в условиях пузырькового кипения в большом объеме.
6.11. Какой температурный напор необходимо обеспечить в условиях задачи 6.10, чтобы при той же площади поверхности нагрева увеличить паропроизводительность в 2 раза.
Определить коэффициент теплоотдачи к кипящей воде, приняв температуру внутренней поверхности трубы равной 173 ºС.
6.15. Определить температуру внутренней поверхности трубы, если тепловая нагрузка поверхности равна 0,5 МВт/м2, скорость кипящей воды – 1,5 м/с, давление воды – 1,26 МПа. Внутренний диаметр трубы равен 38 мм.
Теплообмен при кипении жидкости широко применяется в судовой энергетики - это и производство пара в основных и вспомогательных котлах, ядерных реакторах, испарителях морской воды, в испарителях и воздухоохладителях холодильных установок.
Различают кипение на твердой поверхности теплообмена, через которую идёт поток тепла и кипение в объеме, когда тепловой поток индуцируется непосредственно в объем жидкости.
На практике гораздо более распространен вид кипения жидкости, контактирующей с теплообменной поверхностью.
Кипение - это процесс интенсивного образования пара при условии постоянного подвода тепла. Кипение возникает при небольшом перегреве жидкости, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении. Величина необходимого перегрева зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также от состояния поверхности, через которую в жидкость идет поток тепла. Чем чище жидкость, тем больше ее необходимо перегреть до возникновения кипения. Это объясняется трудностью самопроизвольного образования начальных зародышевых пузырьков пара из-за необходимости преодоления энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.
Если в жидкости присутствует растворенный газ (например, воздух) или мелкие взвешенные частицы, процесс кипения начинается практически сразу же после достижения жидкостью температуры насыщения. Газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твёрдые частицы служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.
Величина необходимого перегрева также снижается, если теплообменная поверхность (стенки и дно сосуда, стенки трубы), через которую в жидкость поступает тепловой поток, имеет микрошероховатости. При подводе потока тепла через такую поверхность наблюдается образование пузырьков в отдельных точках поверхности. Эти точки называются ЦЕНТРАМИ ПАРООБРАЗОВАНИЯ. Процесс кипения при этом начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью теплообмена и имеющих одинаковую с ней температуру. Образование пузырьков пара происходит в перегретом пограничном слое жидкости и только в центрах парообразования. Паровые пузырьки растут, отрываются от поверхности и всплывают.
Но не все пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение критического радиуса парового зародыша Rmin. Величина Rmin зависит от температуры поверхности и резко уменьшается при росте температуры стенки. Поэтому увеличение тепловой нагрузки, вызывающее возрастание температуры поверхности, приводит к росту числа действующих центров парообразования, и процесс кипения становится более интенсивным.
Всё тепло, поступающее в жидкость, расходуется на образование пара:
где r - теплота парообразования, Дж/кг.
G"" - количество пара, образовавшегося при кипении, кг/с.
Характер развития и отрыва пузырьков от теплообменной поверхности в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко. Если жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку и отрываются только верхняя часть пузырька
Рис. 14.1. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а)
и несмачиваемой (б) поверхностях
Рост пузырьков до отрыва и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое из-за чего резко возрастает теплоотдача от поверхности нагрева к жидкости. Такой режим кипения называется пузырьковым. При пузырьковом кипении площадь соприкосновения ножки пузырька с поверхностью теплообмена мала и поэтому тепловой поток практически без ограничений передаётся жидкости и расходуется на парообразование и на небольшое повышение температуры в объеме жидкости (например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме обычно составляет 0,2…0,4 °C). Для практики пузырьковое кипение представляет наибольший интерес.
Отвод тепла в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей, когда теплообменная поверхность работает с высокой плотностью теплового потока.
В режиме пузырькового кипения идет производство пара в парогенераторах и происходит эксплуатация основных и вспомогательных котлов.
Интенсивность пузырькового кипения зависит от величины удельной тепловой нагрузки q, Вт/м 2 , подводимой к поверхности теплообмена. Однако тепловой поток невозможно увеличивать беспредельно. С возрастанием величины теплового потока число действующих центров парообразования непрерывно увеличивается, и их становится так много, что отдельные пузырьки могут слиться в паровой слой, который периодически разрывается, а образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется плёночным. Возникновение плёнки, вместо отдельных пузырьков называется первым кризисом кипения. Для воды при атмосферном давлении кризис кипения наступает при плотности теплового потока q = 1,2·10 6 Вт/м 2 , этому тепловому потоку соответствует критическое значение температурного напора Dtкр = 25…35° C.
Причина возникновения кризиса кипения заключается в следующем. Слияние пузырьков, не успевших оторваться от теплообменной поверхности, образование плёнки пара изменяют условия теплообмена между жидкостью и стенкой. Стенка, к которой подводится тепловой поток, перестаёт омываться жидкостью, так как отделена от жидкости плёнкой пара, и поэтому поступающий к стенке тепловой поток только малую часть свою передается пару из-за низкой теплопроводности пара, остальная часть теплового потока расходуется на разогрев стенки. Температура стенки за доли секунды возрастает на сотни градусов. И если стенка выполнена из тугоплавкого материала, кризис заканчивается новым стационарным состоянием - плёночным кипением при очень высокой температуре теплообменной поверхности, и соответственно при новом, очень высоком значении разности температур Dt между температурной стенки и температурой насыщения, остающейся постоянной, так как её значение зависит только от величины давления. Режим кипения пузырьковый (рис. 14.2,а ) и пленочный (рис. 14.2,б ) представлен на рис. 14.2.
Рис. 14.2. Режимы кипения: а – пузырьковый, б – переходный, в – пленочный
На рисунке запечатлен также (см. рис. 14.2,б ) момент перехода от пузырькового к плёночному кипению. При плёночном режиме кипения перенос тепла от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем теплопроводности и конвективного теплообмена в паровой плёнке, а также излучения сквозь плёнку пара. По мере увеличения температуры поверхности нагрева (и соответственно, роста Dt) все большая часть тепла в жидкость передаётся за счёт излучения. Интенсивность теплообмена при плёночном режиме кипения невелика. Пар, накапливающийся в паровой плёнке, периодически пульсациями отрывается в виде больших пузырей.
На графике 14.3 показаны пузырьковый и плёночный режимы кипения. Из графика видно, что плавного перехода от одного режима к другому нет. Если мы увеличиваем плотность теплового потока, это приводит к увеличению интенсивности теплообмена, но одновременно немного возрастает и температура поверхности (и соответственно Dt). Увеличение тепловой нагрузки свыше допустимого предела вызывает кризис кипения. Этот кризисный переход на рис. 14.3 показан стрелкой и происходит как перескок с кривой пузырькового кипения на линию плёночного кипения при том же значении тепловой нагрузки qкр1. Обычно кризис кипения заканчивается расправлением (пережогом) поверхности нагрева.
Рис. 14.3. Зависимость критической тепловой нагрузки от ∆t
Однако если разрушения поверхности не произошло, и установился плёночный режим кипения, то снижение плотности теплового потока не даст быстрого результата, и плёночный режим будет сохраняться. При снижении теплового потока процесс будет происходить по линии плёночного кипения. И только если мы снизим нагрузку до значения qкр2, возникнут предпосылки для смены режима. Эта смена режима также имеет кризисный характер и называется вторым кризисом кипения. При снижении тепловой нагрузки до значения qкр2 жидкость в отдельных точках начинает касаться теплообменной поверхности, из-за чего увеличивается отвод тепла от поверхности, что приводит к быстрому охлаждению поверхности нагрева. Происходит смена режимов и устанавливается пузырьковое кипение. Этот обратный переход также осуществляется "перескокам" по стрелке с кривой плёночного на линию пузырькового кипения при qкр2. Для воды при атмосферном давлении значение критической плотности теплового потока при этом равно qкр2 = 25000 Вт/м 2 .
Итак, оба перехода: от пузырькового к плёночному и обратно носит кризисный характер. Они происходят при тепловых потоках qкр1 и qкр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, потому что переход осуществляется практически мгновенно, за доли секунды.
На практике широко применяется кипение жидкости движущейся внутри труб или каналов различной формы. Из-за движения жидкости в ограниченном объеме возникают новые особенности. На развитие процесса влияет скорость вынужденного движения жидкости или пароводяной смеси и структура двухфазового потока. Характер движения смеси воды и пара внутри труб представлен на (рис. 14.4)
Рис. 14.4. Характер движения пароводяной смеси в трубах
В зависимости от содержания пара, скорости смеси и расположения труб в пространстве характер движения может быть в виде однородной эмульсии (см. рис. 14.4а) или в виде самостоятельных потоков воды и пара (см. рис. 14.4б , 14.4д ).
Если труба расположена вертикально, то самостоятельный поток пара будет двигаться по оси трубы, в центре, а плёнка воды - по периферии, по стенке трубы. При горизонтальном расположении труб пар двигается в верхней части трубы, вода - в нижней.
Экспериментальные данные по кипению были обобщеныЛабунцовым Д.А. Им предложено критериальное уравнение для расчета теплоотдачи при пузырьковом кипении.
где - критерий Нуссельта, характеризующий теплообмен при кипении на границе стенка – жидкость;
Критерий Рейнольдса, характеризующий состояние сил инерции и сил вязкости при кипении;
Характерный линейный размер, пропорциональный отрывному диаметру пузыря, м;
Скорость кипения, м/с;
Cp - теплоемкость жидкости, кДж/(кг·К);
r - теплота парообразования, кДж/кг;
s - поверхностное натяжение, Н/м;
r", r"" - плотность жидкости и пара при данной температуре насыщения, кг/м 3 ;
Ts - абсолютное значение температуры насыщения, К.
Значения постоянных С и n принимаются равными:
Значения всех физических параметров, входящих в критерии подобия следует принимать при данной температуре насыщения. В связи со сложностью и громоздкостью расчётов по определению коэффициента теплоотдачи с помощью критериального уравнения (14.2), на практике для вычисления коэффициента теплоотдачи в режиме пузырькового кипения широко используют зависимость, полученную при кипении воды М.А. Михеевым:
где q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 ;
p - абсолютное давление пара, Па.
Пузырьковое кипение характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи и соответственно возможностью отвода с единицы поверхности значительных потоков тепла, ограниченных только значением критического теплового потока qкр1. Величину qкр1 в условиях естественной конвенции на горизонтальных трубах и плитках можно определить из формулы:
При плёночном режиме кипения кипящая жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой. Поэтому температура поверхности tc значительно превышает температуру насыщения ts. Из-за высоких значений температуры теплообменной поверхности между ней и жидкостью возникает лучистый теплообмен. Интенсивность конвективного теплообмена при плёночном кипении определяется термическим сопротивлением паровой плёнки. Характер движения пара в плёнке и её толщина зависят от размеров и формы поверхности нагрева и ее расположения в пространстве. Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах можно вести по зависимости
Все физические параметры в этой формуле (за исключением плотности жидкости r") относятся к правой фазе. Их следует выбирать по средней температуре пара
При плёночном кипении на поверхности вертикальных труб опытные данные обобщены Лабунцовым Д.А:
Физические свойства пара здесь также следует выбирать по средней температуре пара.
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.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства