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.

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.


Кипение –процесс интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или вышеэтой температуры. При кипении поглощается теплота фазового перехода, поэтому для осуществления стационарного процесса кипения необходим повод теплоты (см. формулу (5.4)).Различают поверхностное и объемное кипение. Объемное кипение жидкости встречается достаточно редко (например, при резком уменьшении давления) и, в этом случае, температура жидкости становится больше температуры насыщения при данном давлении. В нашем курсе будем рассматривать только теплообмен при кипении на твердых поверхностях или поверхностное кипение. Процесс кипения зависит от граничных условий теплообмена, давления среды, физических свойств жидкости, пара и твердой стенки, состояния твердой поверхности, геометрии системы, режима движения жидкости и т.д. Поэтому разработать математическую модель процесса кипения не представляется возможным и все сведения о механизме кипения получены опытным путем. При этом используется следующая классификация видов кипения:

По роду или режиму кипения – пузырьковое или пленочное;


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

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

По характеру – неразвитое, неустойчивое, развитое.

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

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

Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,прилегающий непосредственно к поверхности стенки,впределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.5.6).Тепловое ядро жидкости – вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного слоя.В зависимости от конкретных условий теплообмена перегрев жидкости вблизи стенки

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



Рис.5.6. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T w =111,8 0 C, p н =1 бар):

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

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


, (5.25)

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

, (5.26)

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


Заметим, что с увеличением перегрева стенки и ростом давления насыщения p н критически радиус

парового пузыря уменьшается и впадины меньших размеров

могут служить центрами парообразования, что в итоге приводит к интенсификации кипения.

Кризисы кипения.

Первый кризис кипения связан с переходом режима от пузырькового к пленочному. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности (см. рисунок). Максимальный удельный тепловой поток при пузырьковом кипении называют первым кризисом кипения qкр1. Его значение очень важно для правильного проектирования и безаварийной эксплуатации современных эффективных теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения (Вт/м2×К):


(4.1)

где Dtкр1 – критический температурный напор, К;

Для воды при атмосферном давлении qкр1 = 1,2 × 106 Вт/м2; Dtкр1 = 20 ¸ 30 К. Наибольшие значения критический тепловой поток имеет при Рн = (0,3…0,4) Ркр, для воды это Рн = 0,35× 221 @ 77 бар, где Ркр @ 221 бар.

Кривая кипения воды при Р = 1 бар:

о – удельный тепловой поток q, Вт/м2;

D – коэффициент теплоотдачи a, Вт/м2×К

Гидродинамическая трактовка кризиса кипения основана на предположении, что кризис вызывается динамической неустойчивостью двухфазного кипящего слоя, определяемой соотношением сил тяжести, поверхностного натяжения и динамического напора потока. Тогда критический тепловой поток (Вт/м2):

Эта зависимость справедлива для кипения в большом объеме при условии свободного движения жидкости.

Второй кризис кипения происходит в начале обратного перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому. Как видно из рисунка, это

происходит при минимальной тепловой нагрузке.

При этом паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности резко снижается. Эта минимальная тепловая нагрузка при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока qкр2, соответствующий ей температурный напор Dtкр2 отвечает минимальной точке на кривой кипения рисунка.

Величина qкр2 существенно меньше qкр1 и для воды при Р = 1 бар составляет qкр2 » 3,5×104 Вт/м2. В работе высказано предположение о том, что критическая скорость кипения пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей, откуда [Вт/м2]:

Это простое соотношение достаточно хорошо соответствует экспериментальным данным.

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.

Теплоотдача при кипении жидкости.

Режимы кипения жидкости.

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. Процессы кипения находят применение в теплоэнергетике, химической технологии, атомной энергетики и др.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой подводится тепло, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Значительный перегрев имеет место, например при сбросе давления в системе.

Для возникновения процесса кипения необходимо два фактора: 1) перегрев жидкости, 2) наличие центров парообразования.

Различают два основных режима кипения пузырьковый и пленочный . Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым.

С увеличением теплового потока до некоторого значения отдельные паровые пузыри сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, периодически прорывающий в объем жидкости. Этот режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, называется пленочным.

Интенсивность теплообмена при пленочном кипении меньше, чем при пузырьковом.

Элементы физики процесса кипения.

Интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик кипения и режимных параметров процесса.

К микрохарактеристикам процесса относятся критический радиус пузырька, скорость его роста, отрывной диаметр и частота отрыва, работа необходимая для образования пузырька, характеристики поверхности и жидкости.

1). Минимальный радиус парового пузырька.

Обычно считают, что жидкость закипает при температуре t ж, равной t н выходящего из нее насыщенного пара, давление которого р н = р ж. Однако это не совсем так. При t ж = t н пузыри пара существовать не могут, и теплоотдача идет по законам естественной конвекции.

Дело в том, что давление насыщенного пара внутри пузырей р п должно уравновешивать не только давление жидкости р ж, но и силы поверхностного натяжения, сжимающие пузырь подобно упругой оболочке. А если р п > р н, то и t п > t н, поскольку более высокому давлению пара в насыщенном состоянии соответствует более высокая температура. Естественно, что и температура жидкости t ж, внутри которой образуются паровые пузыри, должна быть по меньшей мере равна t п. Таким образом, перегрев жидкости ∆t ж = (t ж - t н), необходимый для её закипания, однозначно определяется давлением ∆р, создаваемым силами поверхностного натяжения.

Для определения ∆р мысленно разрежем сферический пузырь по диаметру, заменим действие отброшенной нижней части на верхнюю силой поверхностного натяжения (она действует по периметру) и приравняем её вертикальной проекции сил давления (они действуют по полусфере) – см. рисунок.

отсюда получим:

Согласно этой формуле ∆р растет с уменьшением радиуса пузыря R. Поэтому при любом перегреве жидкости ∆t ж всегда найдется такой критический радиус пузыря R кр, при котором суммарное давление р ж + ∆р будет равно давлению насыщения р н при температуре t ж = t н + ∆t ж. Пузыри с радиусом R>R кр будут расти, поскольку р п > р ж + ∆р, а пузыри с радиусом R

Было получено УКК:

Если на границе раздела фаз кроме сил давления действуют и другие силы (например, силы поверхностного натяжения), то можно записать уравнение КК в обобщенном виде:

Для случая паровой пузырь
= 0,

В такой форме R к характеризует радиус кривизны пузырьков пара. Одновременно R к определяет порядок размеров неровностей поверхности, которые при данных условиях могут служить центрами парообразования.

С повышением ∆T значение R к уменьшается.

С повышением Р знач. R к уменьшается тоже, так как увеличивается ρ".

Увеличение ∆T и Р → ↓ R к → усиление кипения, так как увеличивается число центров парообразования.

В действительности зародышами паровых пузырей являются пузырьки газа. Газ в пузырьках, как упругое тело, только сжимается под действием поверхностного натяжения, не исчезая (так как он не может конденсироваться), поэтому критического радиуса для газовых пузырей не существует. Пар из перегретой жидкости образуется на поверхности газовых пузырей, радиус которых больше критического. Сильнее всего жидкость перегрета, естественно, около обогреваемой поверхности, поэтому там величина критического радиуса минимальна. Пузырьки газа или воздуха в микротрещинах и шероховатостях обогреваемой поверхности, радиус которых превышает R кр, и является местами зарождения паровых пузырей – так называемыми центрами парообразования.

После зарождения паровые пузыри быстро растут, отрываются от поверхности и всплывают, но небольшие части остаются на поверхности и служат зародышами следующих пузырей.