Теплоотдача при кипении. Теплообмен при кипении жидкостей

Кипением называется процесс парообразования, происходящий при температуре кипения (насыщения) в толще жидкости. При этом поглощается теплота фазового перехода, вследствие чего для поддержания процесса необходимо непрерывно подводить тепло, т.е. кипение связано с теплообменом. При кипении паровая фаза образуется в виде пузырей. В нагретой не кипящей жидкости в отсутствие вынужденного течения теплота через пограничный слой передается свободной конвекцией и теплопроводностью. При кипении перенос массы вещества и теплоты из пограничного слоя в объем жидкости осуществляется еще и паровыми пузырьками, которые, всплывая, вызывают интенсивное перемешивание жидкости и турбулизацию пограничного слоя.Поскольку обычно подвод теплоты осуществляется через поверхность теплообмена, то и пузыри возникают на этой поверхности. Если поверхность погружена в большой объем жидкости, вынужденное движение которой отсутствует, то такой процесс называют кипением в большом объеме. В теплоэнергетике чаще всего встречаются процессы кипения на поверхности нагрева (поверхности труб, стенки котлов и т.п.).

Режимы кипения. Различают два режима кипения: пузырьковый режим, когда пар образуется на поверхности в виде отдельных периодически зарождающихся пузырьков, и пленочный режим кипения, когда количество пузырьков у поверхности становится настолько большое, что они сливаются в единую паровую пленку, через которую теплота от нагретой поверхности передается в объем жидкости теплопроводностью. Поскольку коэффициент теплопроводности пара примерно в 30 раз меньше такового для воды, то термическое сопротивление теплопроводности через паровую пленку резко возрастает, что может привести к пережогу поверхности теплообмена. Поэтому этот режим в теплоэнергетических установках не допускается.

Условия, необходимые для возникновения процесса кипения . Для возникновения кипения необходимо и достаточно два условия: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения при давлении жидкости и наличие центров парообразования, в качестве которых могут выступать различные включения в жидкости (твердые частицы и пузырьки газов), а также углубления и впадины на поверхности теплообмена, что связано с шероховатостью.

Пусть жидкость находится в сосуде с обогреваемым дном. Если жидкость кипит, то температура пара над жидкостью равна . Температура в самой жидкости всегда несколько больше . По мере приближения к обогреваемому дну температура практически не изменяется. Лишь в непосредственной близости от дна происходит ее резкое увеличение до .

Из рисунка следует, что наибольший перегрев () наблюдается у поверхности теплообмена, но здесь же находятся центры парообразования в виде шероховатости. Этим и объясняется, почему пузыри образуются именно на поверхности теплообмена.

Для того чтобы пузырек развивался, т.е. увеличивался в объеме за счет испарения жидкости с поверхности пузырька во внутрь него, давление пара в нем должно быть больше давления, обусловленного окружающей жидкостью и силой поверхностного натяжения.

Давление и температура насыщения связаны жесткой зависимостью: чем больше давление, тем выше температура насыщения. Отсюда становится понятно, почему одним из условий возникновения кипения (образования пузырьков пара) является перегрев жидкости. Объем пузырька увеличивается до тех пор, пока подъемная сила, стремящаяся оторвать его, не будет больше сил, удерживающих его на поверхности. Размер пузырька в момент его отрыва характеризуется отрывным диаметром. Оторвавшийся пузырь перемещается кверху, продолжая увеличиваться в объеме. На поверхности раздела жидкость – пар пузырек лопается.

Поскольку пузыри возникают, растут и отрываются на поверхности теплообмена, то они тем самым разрушают пограничный слой, который является основным термическим сопротивлением. Поэтому теплоотдача при кипении является высокоинтенсивным процессом. Для воды, например, коэффициент достигает (10 … 40) 10 3 Вт/(м 2 ×К).

В процессе кипения поверхность теплообмена контактирует частично с паровой, частично с жидкой фазой. Но , поэтому теплота в основном передается жидкой среде, т.е. идет на ее перегрев, и лишь затем перегретая жидкость испаряется с поверхности пузырей во внутрь их.

На рисунке приведена зависимость коэффициента от (перегрева жидкости).

Можно выделить следующие области кипения. При небольших температурных напорах теплоотдача определяется в основном условиями свободной конвекции, так как количество образующих пузырей невелико и они не оказывают существенного воздействия на пограничный слой – это область конвективного кипения I. В этой области коэффициент теплоотдачи пропорционален . С ростом перегрева жидкости все меньшая шероховатость может служить центрами парообразования, а это приводит к увеличению их числа, и, кроме того, увеличивается частота отрыва пузырей в каждом центре парообразования. Это вызывает усиление циркуляции в пограничном слое, вследствие чего теплоотдача резко возрастает. Наступает развитый пузырьковый режим кипения (область II). пропорционален .

С дальнейшим ростом температурного напора () число пузырей становится настолько большим, что они начинают сливаться, в результате чего все большая часть поверхности будет соприкасаться с паровой фазой, теплопроводность которой ниже, чем жидкости. Поэтому теплоотдача, достигнув максимума, начнет снижаться (переходный режим III) до тех пор, пока не образуется сплошная паровая пленка, отделяющая жидкость от поверхности нагрева. Такой режим кипения называется пленочным (область IV). В последнем случае коэффициент практически не зависит от .

На рисунке представлена экспериментально полученная зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока

при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции.

Из рисунка следует, что с увеличением плотности теплового потока коэффициент теплоотдачи возрастает (участок О – А). Этот участок соответствует пузырьковому режиму кипения. При достижении

плотности теплового потока = Вт/м 2 коэффициент теплоотдачи резко уменьшается (линия А – Г) – пузырьковый режим сменяется пленочным. Участок Г–Д соответствует пленочному режиму. Явление перехода пузырькового режима кипения в пленочный называют

первым кризисом кипения (). При переходе от пузырькового режима к пленочному значительно возрастает перепад температур . Обратный переход от пленочного к пузырьковому кипению происходит при плотности теплового потока Вт/м 2 (линия Б – С), который примерно в 4 раза меньше . Явление перехода от пленочного кипения к пузырьковому называют вторым кризисом кипения (). Участок кривой А – Б характеризует переходный режим, здесь могут сосуществовать одновременно и пузырьковый и пленочный режимы на различных частях поверхности нагрева.

1. 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 относительно температуры насыщения при заданном давлении р. 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 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. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает . Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2-0,4°С (рис. 4-1).

Рис. 4-1. Распределение температур в объеме кипящей жидкости .

На рис. 4-2, а схематически показана картина пузырькового режима кипения жидкости. При повышении температурного напора 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; - теплота фазового перехода жидкости, - 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 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 .

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 ббльших значениях наступает второй, переходный режим кипения (рис. 4-2, 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. 4-2, 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. e. температура поверхности составляет примерно 250°C.

Таким образом, при кипении жидкости на поверхности нагрева в зависимости от температурного напора могут наблюдаться три различных режима кипения. Общая картина изменения плотности теплового потока , отводимого к кипящей жидкости, при увеличении температурного напора показана в логарифмических координатах на рис. 4-3. Этот график относится к процессу кипения воды при атмосферном давлении. Такой же характер зависимость q от имеет и для других жидкостей, кипящих в условиях свободного движения в большом объеме на металлических поверхностях нагрева: трубах, плитах и т. д.

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.

Стационарное кипение в переходном режиме на практике может наблюдаться в том случае, когда температура поверхности нагрева поддерживается неизменной за счет контакта этой поверхности с внешней стороны с другим теплоносителем, имеющим более высокую температуру и значительную интенсивность теплоотдачи. Такие условия подвода теплоты можно кратко характеризовать как условия обогрева при . На практике, однако, часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для электрического обогрева поверхности, для обогрева за счет тепловыделения в результате ядерной реакции в атомном реакторе и приближенно в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой. В условиях q = const температура поверхности и соответственно температурный напор зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает новые специфические черты, имеющие важное прикладное значение. Рассмотрим их подробнее. Для этого вновь обратимся к рис. 4-3. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 4-3, 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 . Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный разогрев материала стенки. Температура поверхности оказывается более высокой по сравнению с , на поверхности устанавливается переходный режим кипения, и отвод теплоты начинает снижаться. В итоге разность между подводимым и отводимым количеством теплоты быстро нарастает во времени.

Соответственно увеличивается скорость разогрева поверхности. 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. 4-3 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 . Однако обычно кризис 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. 4-3). Лишь при достижении 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. 4-3 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при

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 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.

Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей, а также в ряде других технических устройств.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара на современных тепловых электрических станциях осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб при высоком давлении. 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.

На развитие процесса может влиять скорость вынужденного движения жидкости или пароводяной смеси. Кроме того, сама структура двухфазного потока (характер распределения паровой и жидкой фаз внутри канала) также имеет важное значение для развития процесса кипения и возникновения кризиса кипения. На рис. 4-4 показаны характерные режимы течения пароводяной смеси в трубах. В зависимости от содержания пара, скорости движения смеси, диаметра трубы и ее расположения в пространстве характер движения оказывается различным: в виде однородной эмульсии (рис. 4-4,а), в виде двух самостоятельных потоков воды и пара (рис. 4-4, б, д). В одних случаях при этом вода движется по периферии у стенки в форме пленки, а пар в центральной части трубы (рис. 4-4, б), в других получается раздельное движение - жидкость в одной, а пар в другой части трубы (рис. 4-4, д). Пузырьковый режим течения смеси (рис. 4-4, в, г) различен при вертикальном и горизонтальном положениях трубы.

Процесс кипения может происходить также при течении в трубе недогретой до температуры насыщения жидкости, если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока. Такой процесс возникает, когда температура стенки превышает температуру насыщения он охватывает пограничный слой жидкости около стенки (рис. 4-5). Паровые пузырьки, попадающие в холодное ядро потока, быстро конденсируются. Этот вид кипения называют кипением с недогревом.

Рис. 4-5. Процесс кипения с недогревом.

2. Теплообмен при пузырьковом кипении. Наблюдения показывают, что при увеличении температурного напора , 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, приводящие к понижению работы адгезии. Под работой адгезии понимают работу, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности на единице площади. Эта величина характеризует меру молекулярного сцепления жидкости с поверхностью и связана с явлением смачивания. Чем лучше жидкость смачивает данный участок поверхности, тем выше работа адгезии. Наблюдения показывают, что в реальных условиях центрами парообразования обычно служат отдельные элементы неровности и микрошероховатости поверхности (предпочтительно различные углубления и впадины), причем в первую очередь, по-видимому, те из них, для которых работа адгезии имеет наименьшее значение.

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 принимают стабильный во времени характер и интенсивность.

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

Напомним, что поверхностным натяжением называется сила, под действием которой свободная поверхность жидкости стремится сократиться; эта сила действует по касательной к поверхности. За единицу поверхностного натяжения принимают силу, приходящуюся на единицу длины произвольной линии на поверхности жидкости. Эта величина обозначается и является физической характеристикой данного вещества. С увеличением температуры величина убывает и при критической температуре становится равной нулю.

Изменение поверхностного натяжения с температурой может быть определено по формуле Бачинского

где - плотность жидкости; - плотность пара при температуре насыщения; с - коэффициент пропорциональности.

При температуре 20°С поверхностное натяжение воды равно 0,068, бензола 0,0288, этилового спирта 0,0222 и ртути 0,47 Н/м.

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

где - поверхностное натяжение; R - радиус пузырька (в общем случае - средний радиус кривизны поверхности раздела жидкости и пара).

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.

Представление о порядке величин перепада давления и абсолютного давления пара внутри пузырька для воды при неизменном внешнем давлении дает табл. 4-1, рассчитанная по уравнению (4-3).

Таблица 4-1. Значения , для воды

Приведенные цифры показывают, что при радиусе меньше нескольких десятков микрон давление пара внутри пузырька уже заметно превышает внешнее давление.

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 . Эта температура выше, чем температура насыщения при внешнем давлении в жидкости . Следовательно, для осуществления теплового равновесия жидкость вокруг пузырька должна быть перегрета на величину .

В качестве примера рассмотрим два пузырька в воде при атмосферном давлении с радиусами, равными 0,01 и 0,001 мм соответственно. Давление пара в этих пузырьках приведено в табл. 4-1, оно составляет и Па. На линии насыщения воды этим давлениям соответствуют температуры насыщения 102,8 и 123,3 °С. Именно такие значения температуры должна иметь вода вокруг этих пузырьков для существования равновесия.

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 радиуса пузырька часто называют также критическим радиусом парового зародыша. Величина зависит от степени перегрева жидкости, т. е. от разности температур где - температура насыщения при давлении в жидкости. Выражение для минимального радиуса парового пузырька можно получить из уравнения Лапласа:

если учесть при этом, что разность давлений между паром и жидкостью для такого пузырька согласно условию теплового равновесия составляет:

где - производная давления по температуре на линии насыщения.

Таким образом, имеем:

или с учетом зависимости давления насыщенного пара от кривизны поверхности раздела

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

т. е. выражается через другие физические постоянные: теплоту фазового перехода , плотности пара и жидкости и абсолютную температуру насыщения .

Уравнение (4-4) показывает, что если в отдельных точках по верхности нагрева появляются паровые зародыши, то способностью к дальнейшему самопроизвольному росту обладают лишь те из них, радиус кривизны которых превышает значение . Поскольку с ростом величина снижается, уравнение (4-4) объясняет экспериментально наблюдаемый факт увеличения числа центров парообразования z при повышении температуры поверхности.

Увеличение числа центров парообразования с ростом давления также связано с уменьшением ибо при повышении давления растет, а снижается. О порядке величины дает представление следующий расчет. Для воды, кипящей при атмосферном давлении, поверхностное натяжение , производная и температурный напор изменяется в интервале от 5 до 25°С. Подставив эти значения в уравнение (4-4), найдем, что при мкм; при 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.

На рис. 4-6 приведены опытные данные, которые показывают изменение радиуса R различных пузырьков в зависимости от времени при кипении воды на горизонтальной пластине при разных давлениях, полученные при помощи скоростной киносъемки (для каждого пузырька время отсчитывается от момента его появления). Линии, проведенные на этом графике, определяют примерные средние зависимости R от при фиксированных режимах кипения. Эти зависимости имеют вид: , т. е. показывают, что размер пузырька растет в среднем пропорционально . При повышении давления скорость роста пузырьков заметно снижается. Результаты таких исследований для ряда жидкостей представлены на рис. 4-7 в виде зависимости средних величин от параметра . Опытные данные при значениях удовлетворительно описываются степенной зависимостью, которая приводит к уравнению

где и - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности жидкости.

(кликните для просмотра скана)

Это соотношение определяет скорость роста паровых пузырьков на поверхности нагрева.

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 , который образуется между стенкой и свободной поверхностью жидкости. Чем больше , тем хуже смачивающая способность жидкости. Принято считать, что при (рис. 4-8, а), жидкость смачивает поверхность, а при (рис. 4-8, б) - 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. 4-9, а). Если же жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку (рис. 4-9, б) и отрываются по перешейку, или парообразование происходит по всей поверхности.

Рис. 4-8. Форма мениска и краевой угол при смачивании (а) и несмачивании (б) поверхности жидкостью.

Рис. 4-9. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а) и несмачиваемой (б) поверхностях.

Обычные жидкости: вода, спирты, бензол, ацетон и др.- смачивают чистые металлические поверхности нагрева. Смачивающая способность воды значительно снижается, если металлическая поверхность покрыта жирной пленкой.

Примером несмачивающей жидкости может служить ртуть .

При кипении обычных жидкостей на металлических поверхностях нагрева средние отрывные диаметры пузырьков при атмосферном давлении составляют примерно 1-2 мм. При увеличении давления значения уменьшаются. На рис. 4-10 представлены значения при кипении воды в большом объеме на горизонтальной поверхности в диапазоне давлений Па. Качественно такие же зависимости были получены и для других жидкостей. Резкое увеличение при снижении давления ниже атмосферного объясняется возрастанием влияния силы инерции, препятствующей отрыву пузырьков. Для процесса пузырькового кипения представляет интерес также величина средней частоты отрыва пузырьков от поверхности нагрева .

В табл. 4-2 приведены экспериментально измеренные значения и произведения при кипении ряда жидкостей на горизонтальной поверхности при атмосферном давлении .

Рис. 4-10. Изменение отрывных диаметров паровых пузырьков в зависимости от давления р при кипении воды на горизонтальных поверхностях из серебра (1), меди (2), бронзы (3) и пермаллоя (4).

При увеличении температурного напора (или теплового потока) постепенно начинает развиваться процесс слияния отдельных пузырьков с образованием больших вторичных пузырей и целых паровых «столбов». Около поверхности среднее объемное содержание пара возрастает до 60-80%. Однако, как показывают исследования, в очень тонком поверхностном слое у самой стенки по-прежнему преобладает жидкая фаза. Термическое сопротивление этого слоя в основном и определяет интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении. Эффективная толщина слоя по мере увеличения тепловой нагрузки снижается, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи а при кипении принято относить к температурному напору :

На рис. 4-11 в виде примера показаны опытные данные для развитого пузырькового кипения воды в большом объеме при разных давлениях . Результаты опытов обычно представляют либо в форме связи величин q и , как это показано на рис. 4-11, а, либо в виде зависимости а от q, которая приведена на рис. 4-11, б.

Таблица 4-2. Значения для жидкостей

Экспериментальные данные показывают, что интенсивность теплоотдачи растет при увеличении плотности теплового потока и давления. Эта закономерность характерна для любых жидкостей, смачивающих поверхность нагрева. Пунктирные линии на рис. 4-11 определяют верхнюю границу существования пузырькового режима кипения воды. Соответствующие значения в функции давления показаны на рис. 4-12.

Исследования показывают, что закономерность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении практически не зависит от размеров и формы теплоотдающей поверхности. Вместе с тем опыты обнаруживают, что интенсивность теплообмена может меняться в зависимости от состояния, материала и чистоты поверхности нагрева. Влияние этих факторов на теплоотдачу проявляется, по-видимому, в основном за счет изменения плотности центров парообразования. Улучшение теплоотдачи наблюдалось в ряде опытов при увеличении микрошероховатости металлической поверхности, а также при увеличении теплопроводности материала стенки. Имеются данные, показывающие, что выпадение на поверхность нагрева в незначительном количестве налетов и окислов также может способствовать некоторому увеличению теплоотдачи. Однако значительное загрязнение поверхности снижает интенсивность передачи теплоты за счет появления дополнительного термического сопротивления слоя загрязнений. Экспериментально показано , что при увеличении краевого угла (в области смачивания) теплообмен увеличивается. При очень чистых поверхностях и чистой жидкости отмечается снижение теплоотдачи .

Обычно на практике перечисленные выше поверхностные эффекты проявляются одновременно. Это затрудняет точное определение теплоотдачи. Опыты показывают, что из-за различия в поверхностных условиях величины при фиксированных q и р могут отклоняться от некоторого среднего для данной жидкости уровня примерно до 35% (рис. 4-13).

(кликните для просмотра скана)

При развитом кипении связь между а и q обычно может быть представлена в виде степенной зависимости с показателем степени около 2/3:

Соответственно зависимость от q определяется соотношением

где с - коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от рода жидкости и давления, а также в некоторой степени от поверхностных условий.

Рис. 4-13. Теплоотдача при кипении воды при атмосферном давлении по данным различных авторов. 1 - Якоб и Линке, хромированная плита, чистая, длительное кипение; 2 - Чикелли и Бонилла, хромированная плита, незначительный налет; 3-6 - Кольчугин и др.. нержавеющая сталь, никель, хром, серебро соответственно, горизонтальные трубы D = 5 мм. чистые; 7, 8 - Боришанский и др.. нержавеющая сталь и латунь соответственно, горизонтальные трубы D = 4-5 мм; 9 - Минченко, латунная труба D = 9 мм; 10 - Кутателадзе, графитовый стержень D = 2 мм; 11 - Мак Адамс, медная труба D = 13 мм.

Вследствие сложного статистического характера процесса пузырькового кипения, а также влияния поверхностных условий задача обобщения данных по теплоотдаче является весьма сложной. Определенные затруднения возникают уже при установлении уравнений подобия. Известно несколько подходов, однако ни один из них не является вполне строгим.

Из имеющихся предложений в этом направлении наиболее последовательным является анализ, проведенный в . Автор предложил прямой приближенный метод описания теплоотдачи.

В целом при достаточно развитом кипении, когда вблизи поверхности нагрева объемное паросодержание становится значительным, высокая интенсивность теплоотдачи при кипении определяется малым термическим сопротивлением тонкой жидкостной прослойки, остающейся на самой поверхности нагрева. Наличие такой прослойки во всей области пузырькового кипения подтверждается результатами ряда экспериментальных работ, связанных с изучением механизма кипения.

Перенос теплоты через этот пристенный слой жидкости вследствие его малой толщины осуществляется в основном, по-видимому, путем теплопроводности. Поэтому если обозначить некоторую осредненную во времени и по поверхности эффективную толщину такой пленки через , то можно записать, что

Однако строгий расчет величины затруднен из-за сложной, хаотичной природы самого процесса пузырькового кипения; в последующем анализе приходится прибегать к приближенным качественным оценкам. Естественно полагать, что величина должна уменьшаться: при уменьшении кинематического коэффициента вязкости жидкости v, при увеличении интенсивности беспорядочного движения парожидкостной смеси у границы этого слоя вследствие процесса парообразования и при увеличении плотности центров парообразования на самой поверхности. Мерой двух последних эффектов могут служить: приведенная скорость парообразования величина, обратная критическому радиусу парового зародыша, можно рассматривать процессы роста отдельных пузырьков пара и движение всей парожидкостной смеси около поверхности как совокупность целого ряда периодических процессов; поэтому в целом такое сложное и беспорядочное движение может быть интерпретировано как некоторое периодическое движение с характерным средним периодом . Тогда из соображений размерности следует, что величина а период , т. е.

Если теперь подставить выражение (б) в (а), учесть уравнения (4-4а), (4-5) и определение коэффициента теплоотдачи , то после простых преобразований получится зависимость

связывающая коэффициент теплоотдачи а с плотностью теплового потока q и физическими свойствами жидкости. Величина в соотношении (в) есть безразмерный числовой коэффициент. Вследствие приближенного характера оценки скорости хаотического движения парожидкостной смеси и плотности центров парообразования этот коэффициент может зависеть от отношения плотностей фаз и специфических поверхностных условий, влияющих на возникновение центров парообразования.

Соотношение (в) с учетом приведенных выше соображений может быть положено в основу анализа и обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче при развитом пузырьковом кипении.

Рассмотрение проведенных исследований и опытных данных показывает, что для расчета теплоотдачи может быть рекомендована зависимость

где b - коэффициент:

Рис. 4-14. Теплообмен при кипении воды в условиях свободного движения (1-6) и при вынужденном движении в трубах и кольцевых каналах (7-12). 1-4 - опытные данные на поверхностях из нержавеющей стали, никеля, хрома и серебра соответственно; 5-6 - опытные данные на поверхностях из нержавеющей стали и бронзы; 7 - опытные данные , нержавеющая сталь; 5 - опытные данные (81), нержавеющая сталь; 9 - опытные данные , нержавеющая сталь; 10 - опытные данные , медь; 11 - опытные данные , нержавеющая сталь; 12 - опытные данные , нержавеющая сталь. Величина сплошная линия соответствует уравнению (4-10).

Все физические свойства в этой формуле следует выбирать по температуре насыщения.

На рис. 4-14 приведены опытные данные разных исследователей по теплообмену при кипении воды на разных поверхностях нагрева в форме зависимости средних (при данном давлении) величин от отношения плотностей пара и жидкости . Линия на графике отражает средний уровень теплоотдачи. Она соответствует формуле (4-10). Отклонения данных разных исследователей от этой зависимости в основном объясняются не погрешностями измерений, а различием в поверхностных условиях. Эти отклонения лежат в целом в пределах ± 35%.

На рис. 4-15 в такой же обработке приведены опытные данные по теплоотдаче при кипении в большом объеме других жидкостей.

На основе общего уравнения (4-10) для каждой жидкости можно получить также более простые расчетные соотношения. Для этого следует рассчитать значение коэффициента, стоящего перед плотностью теплового потока в уравнении (4-10), при разных давлениях. В результате такого анализа для воды расчетная формула может быть представлена в виде

где - бар; q - Вт/м2. Формула применима в диапазоне давлений от 1 до 200 бар. На рис. 4-16 основные опытные данные для воды (представленные в виде зависимости величины от давления ) сопоставлены с данными, рассчитанными по формуле (4-11). Видно, что эта формула, так же как и общее соотношение (4-10), отражает некоторый средний уровень теплоотдачи. Действительные значения а могут отличаться от рассчитанных по уравнениям (4-10) и (4-11) в указанных выше пределах из-за возможного влияния поверхностных эффектов.

Рис. 4-15. Теплообмен при кипении различных жидкостей в условиях свободного движения. Бензол: 1-3 - данные , нержавеющая сталь, никель, серебро соответственно 4 - данные , хромированная поверхность; 5 - данные , нержавеющая сталь; гептан: 6 - данные ; этиловый спирт: 7 - данные ; 8 - 10 - данные ; фреон-12: 11 - данные , нержавеющая сталь; фреон-22: 12 - данные , нержавеющая сталь; аммиак: 13 - данные . нержавеющая сталь; дифенил: 14 - данные , нержавеющая сталь. Величина , сплошная линия соответствует уравнению (4-10).

Опыты показывают, что при вынужденном движении жидкости закономерности теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении подчиняются соотношениями (4-10) и (4-11). Это следует из рис. 4-14 и 4-16, на которых представлены также опытные данные при интенсивном кипении насыщенной и недогретой воды, движущейся в трубах и кольцевых каналах.

Рис. 4-16. Зависимость от р при кипении воды (обозначения точек те же, что на рис. 4-14). Сплошная линия соответствует формуле (4-11).

Интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении практически не зависит от уровня сил тяжести. На рис. 4-17 показаны опытные данные по теплоотдаче при кипении воды в большом объеме при изменении ускорения от ускорения свободного падения до 135-кратных перегрузок: . Приведенные данные показывают, что интенсивность теплообмена не изменяется. Эти опыты проводились на центрифугах, где за счет изменения частоты вращения создавались соответствующие перегрузки. При уменьшении силы тяжести ниже уровня силы земного притяжения теплоотдача, как показывают опыты, практически не изменяется. Однако при полной невесомости организация длительного кипения в большом объеме, по-видимому, невыполнима, так как в невесомости прекращается отвод образующегося пара от поверхности нагрева.

В области весьма низких давлений процесс кипения приобретает ряд новых особенностей. Основные из них состоят в появлении нерегулярного, пульсирующего во времени процесса вскипания, в возникновении значительных перегревов жидкости и появления звуковых эффектов (стуков).

Интенсивность средней теплоотдачи при этом заметно снижается.

Своеобразные закономерности проявляются при кипении жидкости в тонких пленках (толщиной менее 1 мм), создаваемых на поверхности за счет ее орошения потоком капель .

В целом приведенные данные показывают, что для процесса пузырькового кипения характерны высокая интенсивность теплоотдачи и возможность отвода с единицы поверхности весьма значительных потоков теплоты. Последние величины ограничены значением первой критической плотности теплового потока .

Рис. 4-17. Теплообмен при пузырьковом кипении воды при разных отношениях .

Ограничение в процессе отвода теплоты объясняется тем, что при достижении определенной интенсивности парообразования ухудшаются условия подвода жидкости к отдельным участкам поверхности нагрева. Жидкая пленка на этих участках начинает периодически пересыхать. В итоге эффективная доля поверхности, участвующая в процессе отвода теплоты, уменьшается. Развитие такого процесса зависит от характера циркуляции жидкости и пара вблизи поверхности нагрева и интенсивности отвода паровых объемов от самой поверхности. Определенное влияние оказывают также условия смачивания, шероховатость и другие характеристики поверхности.

При кипении жидкости на горизонтальных трубах и плитах в условиях свободного движения (большого объема) скорость отвода пара от поверхности в основном определяется силой, вызываемой ускорением свободного падения. Значения для этих условий могут рассчитываться по формуле

Это соотношение получается из следующих представлений о кризисе кипения, как о чисто гидродинамическом явлении. По мере увеличения плотности теплового потока q при пузырьковом кипении возрастают приведенная скорость парообразования и динамический напор потока пара, образующегося около поверхности нагрева. При определенной величине наступает гидродинамическая перестройка структуры пристенного двухфазного слоя, в результате которой поступление к поверхности кипения достаточных порций жидкости оказывается затрудненным. Это приводит к кризису кипения. Момент гидродинамической перестройки двухфазного слоя должен характеризоваться определенным соотношением между динамическим напором потока пара силой тяжести и силой поверхностного натяжения Величина есть характерный линейный размер системы. Из соображений теории размерностей между этими тремя величинами должна существовать следующая безразмерная функциональная взаимосвязь:

где f - есть пока произвольная функция. По опытным наблюдениям критическая плотность теплового потока не зависит от линейных размеров нагревателя. Поэтому вид функции должен быть таким, чтобы в предыдущем соотношении размер сокращался. Этому условию удовлетворяет лишь зависимость вида

где есть некоторое положительное безразмерное число. Решая это соотношение относительно величины , получим:

Числовой коэффициент А остается неопределенным. Он был определен из сравнения последнего соотношения с опытными данными и оказался равным примерно 0,14 . Так получается уравнение (4-12).

Соотношение (4-12) определяет некоторый средний уровень величины , тогда как действительные значения первой критической плотности теплового потока из-за влияния поверхностных условий и статистической природы процесса кипения могут отличаться от рассчитанных примерно до ± 35%. Опыты показывают, что величины при кипении жидкости в большом объеме практически не зависят от размера поверхности, если обеспечены условия для свободного отвода пара от поверхности нагрева.

Когда отвод пара затруднен (например, горизонтальная плита, обращенная греющей стороной вниз), значения существенно уменьшаются. То же наблюдается в случае кипения жидкости, которая не смачивает поверхность нагрева. Улучшение условий смачивания приводит к увеличению критических тепловых потоков . В ряде опытов отмечалось повышение критических потоков при увеличении шероховатости поверхности, а также при выпадении налетов и накипи на поверхности. Влияние ускорения свободного падения на величины , предсказываемое формулой (4-12), в среднем подтверждается опытными данными .

При кипении жидкости внутри труб и каналов в условиях вынужденного движения интенсивность отвода пара от поверхности и соответственно величина зависят от скорости движения и характера турбулентного перемешивания в потоке. Большое влияние в этих условиях на оказывает также паросодержание самого потока. Опыты показывают, что при увеличении паросодержания значения уменьшаются. При кипении с недогревом вследствие конденсации паровых пузырьков около теплоотдающей поверхности благоприятные условия для подвода жидкости к поверхности нагрева сохраняются вплоть до очень высоких тепловых потоков. Поэтому значения при кипении с недогревом обычно оказываются достаточно большими, причем с увеличением степени недогрева (определяемого величиной , где - средняя температура жидкости в данном сечении) увеличивается.

Исследованиям кризиса кипения жидкости, движущейся в трубах и каналах, посвящено большое число работ. Однако из-за сложного взаимного влияния различных факторов простых и универсальных зависимостей для до настоящего времени получить не удалось. Поэтому расчет критических тепловых нагрузок следует проводить по непосредственным (частным) данным, полученным из опытов стакими же жидкостями и в соответствующих условиях.

3. Теплообмен при пленочном кипении. При пленочном режиме кипящая жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой, причем температура поверхности значительно превышает температуру насыщения . Поэтому наряду с конвективным теплообменом между поверхностью и паровой пленкой при высоких температурах заметная часть в переносе теплоты принадлежит тепловому излучению (см. гл. 5).

Интенсивность конвективного теплообмена при пленочном кипении определяется термическим сопротивлением паровой пленки. Характер движения пара в пленке и ее толщина зависят от размеров и формы поверхности нагрева и ее расположения в поле тяжести, а также от условий движения жидкости. Так, при пленочном кипении на поверхности горизонтальных труб в условиях свободного движения (в большом объеме) пар движется вдоль периметра трубы к верхней образующей и по мере накопления периодически удаляется в форме отрывающихся пузырей.

; 6-9 - пентан, D = 4.8; 6,05; 8,95 и 11,9 мм соответственно.

Рис. 4-19. Теплоотдача при пленочном кипении на вертикальных поверхностях. Величина определяется по формуле (4-14). 1 - бензол; 2 - четыреххлорнстый углерод; 3 - метиловый спирт; 4 - аргон; 5 - азот; 6 - этиловый эфир; 7 - этиловый спирт (1-7 - давление атмосферное); 8 - этиловый спирт, давление Па.

На рис. 4-18 приведено сравнение формулы (4-13) с опытными данными.

При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин течение пара в пленке обычно имеет турбулентный (вихревой) характер. Поверхность пленки испытывает волновые колебания, толщина пленки растет в направлении движения пара. Опыты показывают, что теплоотдача практически не зависит от высоты поверхности нагрева, а следовательно, и от расхода пара в пленке. В целом процесс оказывается во многом аналогичным свободной конвекции однофазной жидкости около вертикальных поверхностей. В данном случае подъемная сила, определяющая движение пара в плёнке, определяется разностью плотностей жидкости и пара . Расчет теплоотдачи в этом случае может проводиться по формуле

Физические свойства пара в этой формуле следует выбирать по средней температуре пара. На рис. 4-19 приведено сравнение этой формулы с опытными данными по теплоотдаче при пленочном кипении различных жидкостей на поверхности вертикальных труб .

Рис. 4-20. Сопоставление зависимости (4-14) с опытными данными при пленочном кипении воды (1) и фреона (2) на горизонтальной плите 280 X 280 мм и азота на поверхности сферы D = 25,4 мм при нормальном ускорении свободного падения (5) и пониженном ускорении свободного падения .

При пленочном кипении жидкости на поверхности горизонтальной плиты значительных размеров поверхность паровой пленки испытывает интенсивные волновые колебания, в результате которых в различных ее точках периодически образуются всплывающие вверх паровые пузырьки. На рис. 4-20 приведено сопоставление формулы (4-14) с опытными данными при пленочном кипении воды и фреона на горизонтальной плите размерами 280 х 280 мм , а также при пленочном кипении азота на поверхности шара D = 25,4 мм при нормальной и пониженной силе тяжести. Хотя первичные опытные данные характеризуются значительным разбросом, формула (4-14) в среднем согласуется с этими данными.

Прекращение пленочного кипения наступает при уменьшении температуры поверхности ниже определенного значения. В эти моменты жидкость начинает касаться (смачивать) теплоотдающей поверхности.

Таблица 4-3. Значения предельных температур некоторых жидкостей

Опыты показывают, что прекращение пленочного кипения происходит тогда, когда температура поверхности нагрева оказывается равной или обычно несколько более низкой, чем температура предельного перегрева жидкости . Последняя определяет тот максимальный перегрев жидкости, выше которого жидкая фаза оказывается термодинамически абсолютно неустойчивой; она самопроизвольно распадается и испаряется. В работах подробно исследовались значения температур предельного перегрева жидкостей с применением различных методов эксперимента. На рис. 4-21 показана зависимость для воды . На этом рисунке показана также линия насыщения воды. Характерной особенностью зависимости является то, что она близка к прямой линии, которая заканчивается в критической точке состояния вещества. В табл. 4-3 приведены значения для ряда жидкостей при атмосферном давлении .

Пленочное кипение прекращается, когда температурный напор оказывается равным или обычно несколько меньшим, чем температурный напор, соответствующий предельному перегреву .

Таким образом,

где коэффициент с обычно лежит в пределах 0,8-1,0.

При более высоких температурах поверхности жидкость не может соприкасаться с поверхностью нагрева, так как при приближении к поверхности происходит самопроизвольное ее распадение и испарение. Это определяет возможность существования пленочного кипения, несмотря на то, что паровая пленка часто оказывается гидродинамически неустойчивой.

И при атмосферном давлении, если температура поверхности трубы

Плотность теплового потока

Библиографическое описание:

Нестеров А.К. Теплообмен при конденсации и кипении [Электронный ресурс] // Образовательная энциклопедия сайт

Хотя человек давно знаком с физическими процессами, в ходе которых происходят фазовые переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое, они остаются предметом внимания ученых исследований, поскольку являются достаточно сложными и требуют научно-обоснованного подхода к изучению. Рассмотрим некоторые общие закономерности теплообмена при процессах конденсации и кипения веществ.

Конденсация и кипение

Процессы конденсации и кипения являются взаимно обратными процессами, отражая фазовый переход вещества из газообразного состояния в жидкость и наоборот.

Основными теоретико-методологическими вопросами, которые решаются в рамках данной области, являются возможности прогнозировать их протекание в прикладных целях.

Основными прикладными направлениями, для которых важны знания о процессах конденсации и кипения, являются решение исследовательских и практических задач в сфере естествознания, применение в метрологии, проектирование производственных комплексов и оборудования в химической, металлургической промышленности, а также других отраслях национальной экономической системы.

Молекулярно-кинетическая теория опирается на определенные представления о строении вещества и оперирует моделями вещества, с помощью которых устанавливаются законы поведения макроскопических систем, состоящих из бесконечно большого числа отдельных частиц. "Молекулярно-кинетическая теория – это учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ" . Следует отметить, что молекулярно-кинетическая теория описывает поведение различных систем на основе вероятностных моделей, чтобы установить взаимозависимость между макроскопическими величинами и микроскопическими характеристиками частиц. К макроскопическим величинам относятся, например, температура, объем, давление и др., а к микроскопическим характеристикам частиц – энергия, масса, импульс и др.

Следует отметить, что в рамках данной области естествознания, термодинамика не оперирует молекулярной структурой вещества и является наукой феноменологической. Термодинамика формирует выводы о свойствах вещества на основе сформированных опытным путем законов и оперирует только макроскопическими величинами, которые вводятся на основе физического эксперимента.

Таким образом, термодинамический и статистический подходы взаимно дополняют друг друга, поскольку только комплексное использование в научных изысканиях термодинамики и молекулярно-кинетической теории позволяет сформировать наиболее полное представление о свойствах систем, состоящих из бесконечно большого числа отдельных частиц.

В зависимости от условий и их изменения любой вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное. Процесс перехода из одного состояния в другое является фазовым переходом. Реальные газы, например, азот, водород, кислород и др., могут превратиться в жидкость при соблюдении определенных условий. Превращение газа в жидкость может наблюдаться только при температурах, которые ниже критической температуры (Т кр). "Например, для воды критическая температура – 647,3 К, азота – 126 К, кислорода – 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов" .

Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное называется испарением. При этом процессе с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т.е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Фазовый переход, при котором молекулы пара возвращаются в жидкое состояние, называется конденсацией и является обратным процессу испарения.

"Процесс кипения жидкости происходит при температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению" . Поскольку в жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа, испарение может происходить в объеме жидкости в случае, если давление насыщенного пара жидкости равно давлению газа в пузырьках или больше него. Вследствие этого жидкость будет испаряться внутрь пузырьков, что приведет к расширению пузырьков газа, которые будут всплывать на поверхность.

Теплообмен при конденсация паров газа

Жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, которое означает, что в закрытом сосуде число вылетающих с поверхности жидкости молекул, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости, равно числу молекул пара, которые возвращаются в жидкое состояние. Динамическое равновесие означает, что скорость процессов испарения и конденсации примерно одинаковы. Пары газа, которые находятся в равновесии с жидкостью, называются насыщенным газом.

Число молекул, которые превращаются в жидкость, зависит от концентрации молекул пара газа и скорости их теплового движения, зависящей от температуры паров газа. Следовательно, в состоянии динамического равновесия температура вещества в жидком и газообразном состоянии является равновесной. "Давление насыщенного пара вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема" . Этим объясняется, что в двухфазной системе изотермы реальных газов содержат горизонтальные участки, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Изотермы реального газа

На рисунке цифрами отмечено:

I – жидкое состояние вещества; II – двухфазная система "жидкость + насыщенный пар"; III – газообразное состояние вещества.

При увеличении температуры (Т) возрастает давление и плотность насыщенного пара вещества, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При условии Т = Т кр плотности пара и жидкости вещества становятся одинаковыми. При условии Т > Т кр физические отличия жидкого и газообразного состояния вещества нивелируются. Если при условии Т < Т кр изотермически сжимать ненасыщенный пар, то давление пара будет увеличиваться до тех пор, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Дальнейшее уменьшение объема приведет к тому, что на дне сосуда образуется жидкость и установится динамическое равновесие, при уменьшении объема все большая часть паров газа будет конденсироваться, при этом давление меняться не будет, когда все пары газа возвратятся в жидкое состояние, давление резко увеличивается при дальнейшем сокращении объема по причине малой сжимаемости жидкости. При этом процесс преобразования вещества из паров газа в жидкость может произойти миновав двухфазную область, как показывает линия ABC.

Давление насыщенного пара с ростом температуры увеличивается очень быстро и при постоянной концентрации молекул возрастает прямо пропорционально росту температуры газа. При этом рост температуры обуславливает не только увеличение средней кинетической энергии молекул, но и их концентрации, поэтому давление насыщенного пара увеличивается быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул вещества.

С точки зрения естественнонаучного содержания,

Процесс теплоотдачи при конденсации насыщенного пара является одновременным переносом теплоты и массы.

Перенос теплоты определяется теплотой парообразования, масса – количеством сконденсированного пара. При процессе конденсации молекулы пара находятся в состоянии турбулентного потока, вихри которого переносят молекулы вещества в газообразном состоянии к охлаждаемой стенке сосуда, на которой они конденсируются. Следствием является резкое уменьшение объема пара, в результате создается собственное поступательное движение молекул вещества в газообразном состоянии к стенке сосуда. Образовавшийся на стенке сосуда конденсат стекает по ней, а к стенке подходит собственный пар. При этом в научно-прикладном аспекте процесс переноса теплоты и основной массы вещества в газообразном состоянии к стенке сосуда происходит настолько быстро, что степень турбулентности потока молекул вещества в газообразном состоянии не оказывается сколько-нибудь значимого влияния на сам процесс конденсации.

Процесс конденсации неразрывно связан с теплообменом, так как при конденсации паров газа выделяется теплота фазового перехода, поэтому справедливы два условия: "температура стенки сосуда должна быть ниже температуры насыщения при данном давлении и необходим отвод теплоты от поверхности, на которой образуется конденсат" . При пленочной конденсации конденсат стекает с поверхности теплообмена в виде простой пленки, для этого должно соблюдаться условие смачивания жидкостью данной поверхности. В случае, если поверхность теплообмена не смачивается или, например, находится в загрязненном состоянии, то будет иметь место конденсация капельного типа, когда конденсат будет формироваться в виде капель разного размера. Наконец, смешанная конденсация подразумевает, что на различных участках поверхности теплообмена может проходить процесс конденсации пленочного и капельного типа одновременно.

Следует отметить, что для разных типов процесса конденсации интенсивность теплообмена отличается следующим образом:

• интенсивность теплообмена при конденсации пленочного типа будет ниже, чем при конденсации капельного типа;
• интенсивность теплообмена при конденсации смешанного типа будет зависеть от характера и соотношения типов конденсации, находясь в пределах минимального и максимального значений для соответствующих типов конденсации .

В этой связи в практике проектирования и применения теплообменных устройств превалирует пленочная конденсация из-за того, что интенсивность процесса теплоотдачи при конденсации пленочного типа ниже капельного из-за термического сопротивления пленки конденсата, тогда как организация процесса капительной конденсации в устройствах теплообмена дороже организации процесса пленочной конденсации.

Рисунок 2 – Термическое сопротивление пленки определяется механизмом переноса теплоты, зависящим от режима течения конденсата

В процессе конденсации процесс теплообмена при пленочной конденсации не является лимитирующем, при конденсации пленочного типа вещества в газообразном состоянии термическое сопротивление сосредоточено в пленке конденсата.

Теплообмен при кипении жидкости

В закрытом сосуде процесс кипения жидкости происходить не может, так как при каждом значении температуры устанавливается равновесие вещества в жидком и газообразном состоянии, при этом пары газа вещества являются насыщенным паром. По кривой равновесия давления и температуры р0 (Т) можно определять температуру кипения жидкости при разных давлениях. При этом необходимо отметить, что из газообразного и жидкого состояния любое вещество может перейти в твердое состояние. Термодинамическое равновесие между двумя фазами вещества может сохраняться при заданной температуре и давлении в системе.

Зависимость равновесного давления от температуры представляет собой кривую фазового равновесия. На рисунке 3 изображена фазовая диаграмма вещества, кривые равновесия разделяют систему координат на отдельные области, соответствующие твердому, жидкому и газообразному состоянию вещества.

Рисунок 3 – Фазовая диаграмма вещества

На рисунке цифрами обозначено:

I – твердое состояние вещества, II – жидкое состояние вещества, III – газообразное состояние вещества.

Кривая 0Т соответствует равновесию между твердым и газообразным состоянием вещества и называется кривой сублимации. Кривая ТК соответствует равновесию между жидким и газообразным состоянием вещества, обрываясь в критической точке К, и называется кривой испарения. Кривая ТМ соответствует равновесию между твердым и жидким состоянием вещества и называется кривой плавления. В точке тройной точке Т могут сосуществовать в равновесии все три фазы.

"Кипение соответствует процессу интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или выше этой температуры" . В ходе данного процесса поглощается теплота фазового перехода, следовательно, чтобы кипение было осуществимо, требуется обеспечивать нагрев вещества, иными словами, подводить теплоту. Существует поверхностное и объемное кипение, причем последнее встречается достаточно редко. При объемном кипении, например, в результате резкого уменьшения давления, наблюдается значительный перегрев жидкости, а температура вещества превышает температуру насыщения при таком давлении. Поверхностное кипение происходит вследствие подвода теплоты к жидкости от твердой поверхности, которая соприкасается с веществом, находящимся в жидком состоянии.

При кипении высокая интенсивность теплообмена и сам процесс кипения широко используется на практике и производстве: выпаривание, перегонка, испарители, кипячение, преобразование веществ для изменения свойств и т.д. При этом для возникновения кипения необходимо, чтобы температура жидкости была больше температуры насыщения, т.е. соблюдалось бы условие Т жидк > Т насыщ, а также наличие центров парообразования. Чтобы теплота передавалась от стенки к кипящей жидкости, необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения: ∆Т = Т ст – Т кип

На рисунке 4 показана зависимость удельной тепловой нагрузки q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора ∆Т.

Рисунок 4 – Зависимость удельной тепловой нагрузки q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора ∆Т

В области АВ перегрев еще мал, активных центров парообразования недостаточно, а теплообмен определяется законами свободной конвекции около стенки α ~ ∆Т1.3. В области ВС перегрев выше, становится больше центров парообразования, теплообмен резко увеличивается, при этом наблюдается турбулизация пограничного слоя около стенки. Эта область называется пузырчатым кипением. Схема процесса теплоотдачи при пузырчатом кипении показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема процесса теплоотдачи при пузырчатом кипении

Часть жидкости испаряется, образуя таким способом пузырьки вещества в газообразном состоянии. Пузырьки вещества увлекают значительные массы жидкости, когда они поднимаются и увеличиваются в объеме, на место увлеченной и испарившейся жидкости поступает свежие потоки жидкости, за счет чего происходит циркуляция жидкости у поверхности нагрева, что приводит к ускорению процесса теплоотдачи. В этот момент α ~ ∆Т 2/3 . Высокий уровень интенсивности теплообмена при пузырчатом режиме кипения обусловлен степенью турбализации пограничного слоя у поверхности, которая пропорциональна числу и объему пузырьков, которые формируются в микровпадинах на поверхности нагрева.

В точке С коэффициент теплоотдачи достигает своего максимального значения, что соответствует максимальному значению удельной тепловой нагрузки q, далее будет наблюдаться резкое снижение коэффициента теплоотдачи. При соблюдении условия ∆Т ≥ ∆Т кр происходит слияние пузырьков, которые находятся близко друг от друга или образуются рядом, у поверхности стенки будет возникать паровая пленка, которая будет создавать дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Значение коэффициента теплоотдачи α резко падает. Этот режим процесса кипения называется пленочным. Следует отметить, что хотя пленка вещества в газообразном состоянии очень нестабильна, постоянно разрушаясь и возникая вновь, такой режим кипения серьезно ухудшает теплообмен, соответственно, на практике он крайне нежелателен.

Выводы

По итогам рассмотрения процессов кипения и конденсации можно судить о том, что они имеют большое значение в прикладных аспектах бытовой жизнедеятельности человека и производственных процессах.

В ходе изучения вопросов, связанных с теплообменом при протекании процессов конденсации и кипении, было установлено, что эти привычные человеку процессы имеют весьма сложную молекулярно-кинетическую природу. От протекания данных процессов зависит решение не только бытовых задач в повседневной деятельности человека, но и различные и многосторонние аспекты функционирования сложных технических систем, производственных комплексов, а также отдельных объектов и элементов инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства.

Процесс теплообмена при конденсации пара протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Специфика процесса конденсации состоит в том, что процесс теплообмена происходит при постоянной температуре.

При пузырчатом кипении теплообмен состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков пара вещества в виде теплоты испарения. Следует отметить, что теплообмен между стенкой и непосредственно пузырьками вещества в газообразном состоянии ничтожно мал, так как мала поверхность соприкосновения пузырьков пара со стенкой и мала теплопроводность пара. Для осуществления теплообмена жидкость должна иметь температуру несколько выше температуры пара, следовательно, при кипении температура жидкости выше температуры насыщенного пара над поверхностью жидкости.

Список литературы

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. – 552 с.
2. Бухмиров В.В. Теоретические основы теплотехники. – Иваново: изд-во ИГЭУ, 2008.
3. Ерохин В.Г., Маханько М.Г. Основы термодинамики и теплотехники. – М.: Ленанд, 2014. – 232 с.
4. Круглов Г.А., Булгакова Р.И., Круглова Е.С. Теплотехника. – СПб.: Лань, 2010. – 208 с.
5. Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника. – М.: ГЭОТАР, 2003. – 352 с.
6. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. – М.: изд-во Ассоциации строительных вузов, 2011. – 296 с.
7. Теплотехника / под ред. В.Н. Луканин. – М.: Высшая школа, 2009. – 678 с.
8. Теплотехника / под ред. М.Г. Шатров. – М.: Академия, 2013. – 288 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.

Кипением называется процесс образования пара в жидкости, нагретой выше температуры насыщения. Физические условия процесса образования пара при нагреве жидкостей отличаются большой сложностью. Для про­цесса кипения необходимы три основных условия:

1) перегрев жидкости - нагрев жидкости до температуры насыщения (температуры кипения при соответствующем давлении) и более;

2) наличие центров образования пузырьков пара на поверхности стен­ки или внутри объема жидкости, каковыми могут служить взвешенные час­тицы, неровности поверхности стенок, углубления, впадины, трещины, присущие в той или иной мере шероховатой поверхности твердой стенки;

3) постоянный подвод теплоты.

Различают два основных режима кипения: пузырьковое и пленочное.

Пузырьковое кипение имеет наибольшее распространение в практиче­ских условиях (паровые котлы , стальные экономайзеры).

Зарождаясь в отдельных точках обогреваемой поверхности, где работа сил адгезии (отрыва жидкости от поверхности) наименьшая, пузырьки пара вначале увеличиваются в размере, затем отрываются от стенки и поднима­ются через слой жидкости в паровое пространство. Их рост и движение вызывают интенсивное перемешивание жидкости.

Если кипение происходит в неподвижной жидкости (кипение в боль­шом объеме), то отрыв пузырей от стенки вызывается действием архимедо­вой силы. При интенсивном вынужденном течении жидкости отрыв пузы­рей происходит под воздействием динамического потока. Чем выше ско­рость потока, тем меньшими оказываются отрывные диаметры пузырей.

Если же основная масса жидкости будет недогрета до температуры насыщения, то пузыри пара, выходя из перегретого пристенного слоя твер­дой поверхности, попадают в более «холодную» среду (жидкость) и там конденсируются. Такой процесс называется поверхностным кипением. При определенных условиях пузырьковый режим переходит в пленочный ре­жим кипения, когда жидкость в основном не соприкасается с поверхностью нагрева, а отделена от стенки непрерывно восстанавливающейся паровой пленкой. Такое перерождение режима носит резкий характер и является крайне нежелательным в практическом отношении. Пленочный режим ки­пения образуется по двум причинам: плохая смачиваемость поверхности нагрева и большая тепловая нагрузка поверхности нагрева.

Паровая пленка, обладающая меньшим коэффициентом теплопровод­ности, создает наибольшее термическое сопротивление между обогревае­мой поверхностью и кипящей жидкостью. Следствием этого является паде­ние значений коэффициента теплоотдачи, а максимальная тепловая нагруз­ка, предшествующая резкому падению коэффициента теплоотдачи при пе­реходе к пленочному кипению, называется критической тепловой нагруз­кой дкр. Для воды в условиях атмосферного давления и естественной кон­векции отмечаются следующие параметры

ДТкр = 25 °С; акр = 5,85 104 Вт/(м2 К); дкр = 1,46 106 Вт/м2.

С повышением давления значения критического температурного на­пора уменьшаются. Для области пузырькового кипения воды в диапазоне давлений 1.40 кг/см2 (0,1.4 МПа) применимы зависимости

А = 3,0 q0Jp°,15; а = 38,7 ДТ 2>33/>5,

Где q и p следует подставлять соответственно в Вт/м2 и кг/см2.

Знание критических параметров жидкости при кипении имеет боль­шое практическое значение, ибо превышение критического температурного напора приводит к резкому снижению производительности кипятильных установок. Когда же заданным является тепловой поток и оказывается бо­лее критического значения, происходит резкое повышение температуры обогреваемой стенки до недопустимого предела. С увеличением давления критическое значение теплового потока вначале заметно возрастает, затем падает и при некотором критическом давлении становится равным нулю. Большие значения коэффициентов теплоотдачи а, Вт/(м2 К) при кипении (500.5000) и конденсации (4000.20 000) воды позволили весьма эффек­тивно использовать эти процессы в промышленных устройствах.

Как грамотно использовать аутсорсинг? Более 2/3 компаний в мире прибегают к аутсорсингу в той или иной форме согласно последним исследованиям. Термин «аутсорсинг» происходит от английских out - «вне» и source …

1. Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором передача теплоты осуществляется от одного - горячего теплоносителя к другому - холодному. По принципу действия теплообменные аппараты бывают: рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативным …

1. Использование теплоты пара вторичного вскипания конденсата. Энергосбережение тепловой энергии обеспечивается за счет использо­вания теплоты от паров вторичного вскипания конденсата или от проду­вочной воды из паровых котельных агрегатов. При конденсации …

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