Теплоотдача при кипении. Теплоотдача при кипении жидкостей. Что будем делать с полученным материалом

10.1. Теплообмен при кипении жидкости

В радиоэлектронных средствах, когда от нагретых элементов и узлов требуется отводить большие плотности тепловых потоков, например, более , используется процесс передачи тепла при поверхностном кипении жидкости.

Для возникновения кипения жидкости, соприкасающейся с нагретой поверхностью, необходимо некоторое превышение температуры поверхности над температурой насыщения. Под температурой насыщенияпонимается температура, при которой происходит фазовое превращение жидкости при данном давлении.

При этом слой жидкости, прилегающий к нагретой поверхности и имеющей температуру, равную температуре этой поверхности, будет перегретым.

Процесс кипения начинается в этом перегретом слое - в некоторых точках на поверхности, так называемых центрах парообразования, которыми являются микрошероховатости, различные неоднородности, возникают пузырьки пара.

Эти пузырьки в процессе испарения жидкости в перегретом слое растут и затем отрываются от теплоотдающей поверхности.

На образование пара расходуется тепло , подводимое к поверхности
, где- теплота парообразования жидкости, Дж/кг,- количество пара, обраэующегося при кипении.

При небольшом перегреве
пузырьки пара, образующиеся на нагретой поверхности, поднимаются отдельно друг от друга, не вызывая заметного перемешивания жидкости (интенсивность отвода тепла от нагретой поверхности будет небольшой). Такой режим называется малоразвитым пузырьковым кипением. Для воды при нормальном атмосферном давлении он имеет место в интервале температур от 100 до 108 0 С, т.е. при перегреве
0…8 0 С. По мере увеличения температуры поверхности и, следовательно, температурного напора
, число центров парообразования растет, процесс кипения становится более интенсивным. Отрывающиеся пузырьки сливаются в неустойчивые паровые струи, пронизывающие слои кипящей жидкости, что увеличивает ее перемешивание и улучшает омывание теплоотдающей поверхности. Отвод тепла от нагретой поверхности при этом увеличивается (рис. 10.1). Этот режим называется развитым пузырьковым кипением. Для воды при нормальном атмосферном давлении этот режим занимает интервал температур от 108 до 125 0 С (
= 8…25).

Следует отметить, что температура в объеме кипящей жидкости будет близка к температуре насыщения (для воды при нормальном атмосферном давлении превышение составляет 0,2 - 0,4 ). Перепад между температурой поверхности и кипящей жидкостью имеет место в приграничном слое, толщина которого составляет единицы миллиметров. При развитом пузырьковом кипении среднее значение конвективного коэффициента теплоотдачи выражается формулой

, (10.1.1)

где - плотность теплового потока, Вт/м 2 ,- коэффициент, зависящий от рода кипящей жидкости

. (10.1.2)

Здесь - теплопроводность жидкости,
;- коэффициент кинематической вязкости;
- поверхностное натяжение жидкости;- абсолютная температура насыщения, К;- безразмерный коэффициент, равный

где и- соответственно плотности жидкости и пара.

В выражении (10.1.2) все физические параметры берутся при температуре насыщения .

Плотность теплового потока связана с коэффициентом теплоотдачи соотношением
. Подставляяв выражение (10.1.1), после несложных преобразований получим

С учетом (10.1.2) коэффициент теплоотдачи будет выражаться формулой

. (10.1.1,а)

При некотором температурном напоре
плотность теплового потока будет максимальной - это так называемая первая критическая точка. Для воды при нормальном атмосферном давления
= 25, при этом плотность теплового потока
=
Вт/м 2 .

При значениях
пузырьки у поверхности нагрева сливаются между собой, образуя большие паровые полости. При этом доступ жидкости к поверхности затрудняется и в результате плотность теплового потока и коэффициент теплоотдачи уменьшаются, наступает переходной режим кипения. При некотором температурном напоре плотность теплового потока будет минимальной - это так называемая вторая критическая точка. Для воды эта критическая точка соответствует температурному напору
= 150
(температура нагретой поверхности составляет примерно 250), а плотность теплового потока
будет равна
=

.

При дальнейшем росте температурного напора вся поверхность обволакивается сплошной пленкой пара, контакт жидкости с теплоотдающей поверхностью исчезает, начинается устойчивый пленочный режим, который происходит при весьма высокой температуре поверхности. Толщина паровой пленки составляет доли миллиметра, а движение пара в ней, для вертикальных поверхностей, имеет турбулентный характер .

Перенос тепла здесь от нагретой поверхности к жидкости осуществляется через пленку конвекцией и, в значительной мере, тепловым излучением.

Коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении может быть рассчитан по формуле

, (10.1.3)

где физические параметры среды с одним и двумя штрихами относятся соответственно к жидкости и пару, при этом параметры пара следует выбирать при его средней температуре.

При устойчивом пленочном режиме кипения коэффициент теплоотдачи практически не меняется, а плотность теплового потока будет пропорциональна температурному напору (рис. 10.1).

Следует отметить, что переходный режим является неустойчивым. При достижении перегрева поверхности, равного
, температура поверхности за доли секунды возрастает на сотни градусов (первый кризис кипения), происходит "перескок" с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же плотности теплового потока
(на рис. 10.1 показано стрелкой). Это объясняется тем, что приток тепла существенно превышает его отток от поверхности к жидкости.

Аналогичная картина наблюдается и при уменьшении тепловой энергии, подводимой к поверхности. При этом температура поверхности уменьшается, и при перегреве
происходит резкое охлаждение поверхности и смена режимов - "перескок" с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при
(второй кризис кипения).

Нормально считается, когда система охлаждения работает в режиме развитого пузырькового кипения, то есть перегрев охлаждаемой поверхности не превосходит
.

Рис. 10.1. Зависимости
и
при кипении воды

Теплоотдача при кипении жидкости в большом объеме

Кипением принято называть процесс парообразования, происходящий при температуре кипения (насыщения) в толще жидкости. При этом поглощается теплота фазового перехода, вследствие чего для поддержания процесса крайне важно непрерывно подводить тепло, ᴛ.ᴇ. 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 объём 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. В случае если поверхность погружена в большой объём жидкости, вынужденное движение которой отсутствует, то такой процесс называют кипением в большом объёме. 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 объём 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. По этой причине данный режим в теплоэнергетических установках не допускается.

Условия, необходимые для возникновения процесса кипения . Для возникновения кипения крайне важно 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. В случае 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, ᴛ.ᴇ. увеличивался в объёме за счёт 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 объёме. 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. По этой причине теплоотдача при кипении является высокоинтенсивным процессом. Для воды, к примеру, коэффициент достигает (10 … 40) 10 3 Вт/(м 2 ×К).

В процессе кипения поверхность теплообмена контактирует частично с паровой, частично с жидкой фазой. Но , в связи с этим теплота в основном передается жидкой среде, ᴛ.ᴇ. 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 - ϶ᴛᴏ 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, благодаря чему все большая часть поверхности будет соприкасаться с паровой фазой, теплопроводность которой ниже, чем жидкости. По этой причине 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 принято называть 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 объёме 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

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

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности (по Х. Кухлингу коэффициент теплоотдачи á – кипящая вода – металлическая стенка находится в пределах от 3500 до 5800 Вт/(м 2 ⋅К).

При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении. Например, значительный перегрев может быть получен при быстром сбросе давления в системе.

От механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается наличием дополнительного переноса массы вещества и тепла паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий:

Наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения;

Наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена, так как на ней находятся центры парообразования в виде отдельных неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и пр.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называют пузырьковым кипением.

С увеличением теплового потока до некоторой величины отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у стенки сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Такой реж им называют пленочным кипением.

Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкости в условиях свободного движения

Коэффициент теплоотдачи по Д.А. Лабунцову:

α кип св. дв. = С ⋅ λ ⋅ Re n ⋅ Pr 1/3 /l , Вт/м 2 ⋅К,

где: l – характерный линейный размер пузырька пара в момент зарождения, в м.

Физические параметры, входящие в критерии подобия, определены при температуре насыщения.

Значения постоянных при кипении воды составляют:

при Re ≤ 0,01, C = 0,0625, n = 0,5;

при Re > 0,01, C = 0,125, n = 0,65.

Зависимость справедлива в области значений величин:

Re = 10 -5 ÷ 10 +4 ; Pr = 0,86 ÷ 7,6; W ≤ 7 м/с;

и при объемном паросодержании – â ≤ 70% для широкого диапазона давлений насыщения (до околокритических давлений).

Коэффициент теплоотдачи по М.А. Михееву:

α кип св. дв. = 33,4∆t 2,33 ⋅ Р 0,5 , Вт/м 2 ⋅К,

где Р – давление воды в барах.

Зависимость применима для воды в диапазоне давлений 1 ÷ 40 бар (0,1-4,0 МПа).

Теплоотдача при пузырьковом кипении в условиях вынужденной конвекции в трубах

В этом случае интенсивность теплообмена определяется взаимодействием пульсационного движения жидкости, вследствие парообразования и возмущений, проникающих из объема жидкости, обусловленных вынужденной конвекцией. Интерполяционная формула Д.А. Лабунцова для теплоотдачи из пузырьковом кипении в условиях вынужденной конвекции в трубах имеет вид:

α/α w = 4α w /4α w + α q /α q , где:

α g – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам развитого кипения (когда скорость не влияет на теплообмен);

α w – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам конвективного теплообмена однофазной жидкости (когда q не влияет на теплообмен).

Зависимость применима:

В интервале значений α q /α w от 0,5 до 2,0, (при величине этого отношения, меньшей 0,5 - α w = α, а при большей 2,0 - α q = α);

При средних объемных паросодержаниях, не превышающих 70% (при этом коэффициент теплоотдачи относится к разности температур t c – t н).

Теплоотдача при пленочном кипении жидкости

Пленочное кипение возникает при наличии большого количества центров парообразования, при котором паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной слой пара, периодически прорывающийся в объем жидкости. В этом случае жидкость отделена от обогреваемой поверхности паровым слоем. Тепловой поток к поверхности раздела фаз проходит через малотеплопроводный слой пара. При пленочном кипении жидкости в условиях свободного движения величина коэффициента теплоотдачи мало изменяется с изменением величины теплового потока.

Через паровую пленку, кроме тепла за счет конвекции и теплопроводности, проходит и лучистое тепло. Поэтому на коэффициент теплоотдачи на пленочном кипении оказывают влияние излучение поверхности теплообмена, излучение поверхности жидкости и излучение паров. Доля лучистого переноса тепла резко увеличивается по мере увеличения перегрева жидкости. Обе формы переноса тепла – конвективным теплообменом и излучением – оказывают взаимное влияние друг на друга. Оно проявляется в том, что пар, образующийся благодаря излучению, приводит к утолщению паровой пленки и соответствующему уменьшению интенсивности переноса тепла за счет конвекции и теплопроводности.

При пленочном кипении насыщенной жидкости тепловой поток, отводимый от поверхности нагрева, расходуется не только на испарение слоев жидкости, расположенных на границе паровой пленки. Часть отводимого тепла идет также на перегрев пара в пленке, так как средняя температура пара внутри пленки выше температуры насыщения.

При пленочном кипении недогретой жидкости тепло, которое проходит через паровую пленку с поверхности кипения, частично передается в объем жидкости путем конвекции. Интенсивность конвективного переноса тепла в объем жидкости зависит от недогрева и скорости циркуляции жидкости.

В котлах прямоточного типа технологическая вода поступает в недогретом состоянии, а выходит в виде перегретого пара. В таком котле по мере течения пароводяной смеси коэффициент теплоотдачи изменяется: по законам конвекции однофазового потока на входном участке; по законам конвекции и кипения пузырькового режима на промежуточном участке; по законам кипения пленочного режима на выходном участке. При пленочном кипении теплоотдача значительно меньше, чем при пузырьковом. Однако при высоких давлениях абсолютная величина теплоотдачи становится значительной. Поэтому пережога кипятильных труб (прогара поверхности) не происходит, т.е. состояние поверхности нагрева и в этом случае остается управляемым.

Коэффициент теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки на вертикальной стенке по В.П. Исаченко:

α = С 4 √(λ 3 n ⋅ r ⋅ ρ n (ρ ж − ρ n ) ⋅ g /(µ n ⋅ ∆t ⋅ H)) , Вт/(м 2 ⋅К),

при t = t н (температура насыщения воды) и скорости на границе раздела фаз – W гр = 0, постоянный множитель С = 0,667;

при градиенте скорости dw = 0, постоянный множитель С = 0,943.

В первом случае жидкость неподвижна, во втором случае – скорость движения жидкости равна скорости движения пара на границе раздела фаз.

Коэффициент теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки при кипении на наружной поверхности горизонтального цилиндра по В.П. Исаченко:

α = С 4 √(λ 3 n ⋅ r ⋅ ρ n (ρ ж − ρ n ) ⋅ g /(µ n ⋅ ∆t ⋅ d)) , Вт/(м 2 ⋅К),

В этом случае С равно соответственно 0,53 (жидкость неподвижна) и 0,72 (скорость движения жидкости равна скорости движения пара на границе раздела фаз).

Приведенные зависимости теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки учитывают перенос тепла по сечению пленки путем теплопроводности. Лучистая (радиационная) составляющая коэффициента теплоотдачи (α р) должна определяться отдельно (см. раздел 7.3.4.)

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении паровой пленки при кипении на вертикальной стенке по Д.А. Лабунцову:

α = С ⋅ (λ/H)(Gr ⋅ Pr) г 1 /3 Вт/(м 2 ⋅К),

где: применительно к пленочному кипению сила, определяющая движение пара в пленке, равна g*(ρ ж − ρ n ); постоянный множитель С = 0,25; физические свойства относятся к средней температуре паровой пленки (на что указывает индекс «Г»).

Критерий Грасгофа имеет вид Gr = (gl 3 /ν n 2)*(ρ ж − ρ n )/ρ ж

Зависимость применима при (Gr ⋅ Pr) г ≥ 2 ⋅ 10 7 .

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 .

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 .

при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции.

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.

Теплообмен при кипении жидкости широко применяется в судовой энергетики - это и производство пара в основных и вспомогательных котлах, ядерных реакторах, испарителях морской воды, в испарителях и воздухоохладителях холодильных установок.

Различают кипение на твердой поверхности теплообмена, через которую идёт поток тепла и кипение в объеме, когда тепловой поток индуцируется непосредственно в объем жидкости.

На практике гораздо более распространен вид кипения жидкости, контактирующей с теплообменной поверхностью.

Кипение - это процесс интенсивного образования пара при условии постоянного подвода тепла. Кипение возникает при небольшом перегреве жидкости, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении. Величина необходимого перегрева зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также от состояния поверхности, через которую в жидкость идет поток тепла. Чем чище жидкость, тем больше ее необходимо перегреть до возникновения кипения. Это объясняется трудностью самопроизвольного образования начальных зародышевых пузырьков пара из-за необходимости преодоления энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Если в жидкости присутствует растворенный газ (например, воздух) или мелкие взвешенные частицы, процесс кипения начинается практически сразу же после достижения жидкостью температуры насыщения. Газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твёрдые частицы служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Величина необходимого перегрева также снижается, если теплообменная поверхность (стенки и дно сосуда, стенки трубы), через которую в жидкость поступает тепловой поток, имеет микрошероховатости. При подводе потока тепла через такую поверхность наблюдается образование пузырьков в отдельных точках поверхности. Эти точки называются ЦЕНТРАМИ ПАРООБРАЗОВАНИЯ. Процесс кипения при этом начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью теплообмена и имеющих одинаковую с ней температуру. Образование пузырьков пара происходит в перегретом пограничном слое жидкости и только в центрах парообразования. Паровые пузырьки растут, отрываются от поверхности и всплывают.

Но не все пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение критического радиуса парового зародыша Rmin. Величина Rmin зависит от температуры поверхности и резко уменьшается при росте температуры стенки. Поэтому увеличение тепловой нагрузки, вызывающее возрастание температуры поверхности, приводит к росту числа действующих центров парообразования, и процесс кипения становится более интенсивным.

Всё тепло, поступающее в жидкость, расходуется на образование пара:

где r - теплота парообразования, Дж/кг.

G"" - количество пара, образовавшегося при кипении, кг/с.

Характер развития и отрыва пузырьков от теплообменной поверхности в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко. Если жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку и отрываются только верхняя часть пузырька

Рис. 14.1. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а)
и несмачиваемой (б) поверхностях

Рост пузырьков до отрыва и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое из-за чего резко возрастает теплоотдача от поверхности нагрева к жидкости. Такой режим кипения называется пузырьковым. При пузырьковом кипении площадь соприкосновения ножки пузырька с поверхностью теплообмена мала и поэтому тепловой поток практически без ограничений передаётся жидкости и расходуется на парообразование и на небольшое повышение температуры в объеме жидкости (например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме обычно составляет 0,2…0,4 °C). Для практики пузырьковое кипение представляет наибольший интерес.

Отвод тепла в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей, когда теплообменная поверхность работает с высокой плотностью теплового потока.

В режиме пузырькового кипения идет производство пара в парогенераторах и происходит эксплуатация основных и вспомогательных котлов.

Интенсивность пузырькового кипения зависит от величины удельной тепловой нагрузки q, Вт/м 2 , подводимой к поверхности теплообмена. Однако тепловой поток невозможно увеличивать беспредельно. С возрастанием величины теплового потока число действующих центров парообразования непрерывно увеличивается, и их становится так много, что отдельные пузырьки могут слиться в паровой слой, который периодически разрывается, а образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется плёночным. Возникновение плёнки, вместо отдельных пузырьков называется первым кризисом кипения. Для воды при атмосферном давлении кризис кипения наступает при плотности теплового потока q = 1,2·10 6 Вт/м 2 , этому тепловому потоку соответствует критическое значение температурного напора Dtкр = 25…35° C.

Причина возникновения кризиса кипения заключается в следующем. Слияние пузырьков, не успевших оторваться от теплообменной поверхности, образование плёнки пара изменяют условия теплообмена между жидкостью и стенкой. Стенка, к которой подводится тепловой поток, перестаёт омываться жидкостью, так как отделена от жидкости плёнкой пара, и поэтому поступающий к стенке тепловой поток только малую часть свою передается пару из-за низкой теплопроводности пара, остальная часть теплового потока расходуется на разогрев стенки. Температура стенки за доли секунды возрастает на сотни градусов. И если стенка выполнена из тугоплавкого материала, кризис заканчивается новым стационарным состоянием - плёночным кипением при очень высокой температуре теплообменной поверхности, и соответственно при новом, очень высоком значении разности температур Dt между температурной стенки и температурой насыщения, остающейся постоянной, так как её значение зависит только от величины давления. Режим кипения пузырьковый (рис. 14.2,а ) и пленочный (рис. 14.2,б ) представлен на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Режимы кипения: а – пузырьковый, б – переходный, в – пленочный

На рисунке запечатлен также (см. рис. 14.2,б ) момент перехода от пузырькового к плёночному кипению. При плёночном режиме кипения перенос тепла от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем теплопроводности и конвективного теплообмена в паровой плёнке, а также излучения сквозь плёнку пара. По мере увеличения температуры поверхности нагрева (и соответственно, роста Dt) все большая часть тепла в жидкость передаётся за счёт излучения. Интенсивность теплообмена при плёночном режиме кипения невелика. Пар, накапливающийся в паровой плёнке, периодически пульсациями отрывается в виде больших пузырей.

На графике 14.3 показаны пузырьковый и плёночный режимы кипения. Из графика видно, что плавного перехода от одного режима к другому нет. Если мы увеличиваем плотность теплового потока, это приводит к увеличению интенсивности теплообмена, но одновременно немного возрастает и температура поверхности (и соответственно Dt). Увеличение тепловой нагрузки свыше допустимого предела вызывает кризис кипения. Этот кризисный переход на рис. 14.3 показан стрелкой и происходит как перескок с кривой пузырькового кипения на линию плёночного кипения при том же значении тепловой нагрузки qкр1. Обычно кризис кипения заканчивается расправлением (пережогом) поверхности нагрева.

Рис. 14.3. Зависимость критической тепловой нагрузки от ∆t

Однако если разрушения поверхности не произошло, и установился плёночный режим кипения, то снижение плотности теплового потока не даст быстрого результата, и плёночный режим будет сохраняться. При снижении теплового потока процесс будет происходить по линии плёночного кипения. И только если мы снизим нагрузку до значения qкр2, возникнут предпосылки для смены режима. Эта смена режима также имеет кризисный характер и называется вторым кризисом кипения. При снижении тепловой нагрузки до значения qкр2 жидкость в отдельных точках начинает касаться теплообменной поверхности, из-за чего увеличивается отвод тепла от поверхности, что приводит к быстрому охлаждению поверхности нагрева. Происходит смена режимов и устанавливается пузырьковое кипение. Этот обратный переход также осуществляется "перескокам" по стрелке с кривой плёночного на линию пузырькового кипения при qкр2. Для воды при атмосферном давлении значение критической плотности теплового потока при этом равно qкр2 = 25000 Вт/м 2 .

Итак, оба перехода: от пузырькового к плёночному и обратно носит кризисный характер. Они происходят при тепловых потоках qкр1 и qкр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, потому что переход осуществляется практически мгновенно, за доли секунды.

На практике широко применяется кипение жидкости движущейся внутри труб или каналов различной формы. Из-за движения жидкости в ограниченном объеме возникают новые особенности. На развитие процесса влияет скорость вынужденного движения жидкости или пароводяной смеси и структура двухфазового потока. Характер движения смеси воды и пара внутри труб представлен на (рис. 14.4)

Рис. 14.4. Характер движения пароводяной смеси в трубах

В зависимости от содержания пара, скорости смеси и расположения труб в пространстве характер движения может быть в виде однородной эмульсии (см. рис. 14.4а) или в виде самостоятельных потоков воды и пара (см. рис. 14.4б , 14.4д ).

Если труба расположена вертикально, то самостоятельный поток пара будет двигаться по оси трубы, в центре, а плёнка воды - по периферии, по стенке трубы. При горизонтальном расположении труб пар двигается в верхней части трубы, вода - в нижней.

Экспериментальные данные по кипению были обобщеныЛабунцовым Д.А. Им предложено критериальное уравнение для расчета теплоотдачи при пузырьковом кипении.

где - критерий Нуссельта, характеризующий теплообмен при кипении на границе стенка – жидкость;

Критерий Рейнольдса, характеризующий состояние сил инерции и сил вязкости при кипении;

Характерный линейный размер, пропорциональный отрывному диаметру пузыря, м;

Скорость кипения, м/с;

Cp - теплоемкость жидкости, кДж/(кг·К);

r - теплота парообразования, кДж/кг;

s - поверхностное натяжение, Н/м;

r", r"" - плотность жидкости и пара при данной температуре насыщения, кг/м 3 ;

Ts - абсолютное значение температуры насыщения, К.

Значения постоянных С и n принимаются равными:

Значения всех физических параметров, входящих в критерии подобия следует принимать при данной температуре насыщения. В связи со сложностью и громоздкостью расчётов по определению коэффициента теплоотдачи с помощью критериального уравнения (14.2), на практике для вычисления коэффициента теплоотдачи в режиме пузырькового кипения широко используют зависимость, полученную при кипении воды М.А. Михеевым:

где q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 ;

p - абсолютное давление пара, Па.

Пузырьковое кипение характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи и соответственно возможностью отвода с единицы поверхности значительных потоков тепла, ограниченных только значением критического теплового потока qкр1. Величину qкр1 в условиях естественной конвенции на горизонтальных трубах и плитках можно определить из формулы:

При плёночном режиме кипения кипящая жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой. Поэтому температура поверхности tc значительно превышает температуру насыщения ts. Из-за высоких значений температуры теплообменной поверхности между ней и жидкостью возникает лучистый теплообмен. Интенсивность конвективного теплообмена при плёночном кипении определяется термическим сопротивлением паровой плёнки. Характер движения пара в плёнке и её толщина зависят от размеров и формы поверхности нагрева и ее расположения в пространстве. Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах можно вести по зависимости

Все физические параметры в этой формуле (за исключением плотности жидкости r") относятся к правой фазе. Их следует выбирать по средней температуре пара

При плёночном кипении на поверхности вертикальных труб опытные данные обобщены Лабунцовым Д.А:

Физические свойства пара здесь также следует выбирать по средней температуре пара.