Коэффициент теплоотдачи при кипении по опытным данным. Режимы кипения жидкости. Что будем делать с полученным материалом

Кипение жидкостей рассматривают в большом объеме при свободном движении или в трубах и каналах при вынужденном движении. Интенсивность теплообмена при кипении зависит от природы жидкости и ее теплофизических свойств. Определяющей температурой является температура насыщения.

Ограничимся рассмотрением теплообмена в условиях пузырькового режима кипения.

При кипении в большом объеме и заданной поверхностной плотности теплового потока (тепловой нагрузки поверхности нагрева) рассчитывают теплообмен, используя следующие зависимости:

– при < 0,01

В уравнениях приняты обозначения обобщенных переменных:

Где – характерный геометрический размер, пропорциональный критическому диаметру парового пузырька на поверхности нагрева (парообразования), м;

Где – приведенная скорость парообразования, которая характеризует объем пара, образующегося на единице площади поверхности нагрева в единицу времени, м3/(м2 с);

– удельная теплота парообразования, Дж/кг;

– плотность образующегося пара, кг/м3.

Зависимости (6.1) и (6.2) справедливы при следующих условиях: ; ; объемное содержание пара в кипящей жидкости не превышает 70%.

Принято записывать

Где – параметр, зависящий от теплофизических свойств жидкости, м2/Вт.

При кипении в большом объеме и заданном температурном напоре (разности температуры поверхности нагрева и температуры насыщения) используют уравнения:

– при

– при <

Где – температурный напор, К;

– параметр, зависящий от теплофизических свойств жидкости, К– 1.

Значения параметров , и приведены для воды в приложении Г в зависимости от температуры насыщения.

Вышеприведенные расчетные зависимости используют при тепловых нагрузках меньше первой критической тепловой нагрузки, при которой наблюдается переход к пленочному режиму кипения. Значение первой критической тепловой нагрузки для воды приведены ниже:

Для определенного рода жидкости коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объеме зависит только от поверхностной плотности теплового потока и давления насыщения. Поэтому используют эмпирические зависимости.

Для воды в диапазоне давлений от 0,1 до 4 МПа получены зависимости

, (6.8)

, (6.9)

Где – давление насыщения, МПа;

При пузырьковом кипении в трубах и каналах учитывают, что теплоотдача определяется как конвекцией жидкости при ее вынужденном движении, так и процессом парообразования в кипящей жидкости.

В случае кипение при объемном паросодержании не более 70 % рассчитывают теплоотдачу следующим образом:

– находят коэффициенты теплоотдачи при вынужденном движении в трубах и при пузырьковом кипении в большом объеме (соответственно и );

– определяют коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении в трубах:

– при принимают = ;

– при 0,5 < < 2 вычисляют

; (6.10)

– при принимают = .

Для расчета коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубах в условиях турбулентного режима при >104 и отношении длины трубы к ее диаметру больше 50 используют формулу

, (6.11)

Где определяющей температурой является средняя температура среды.

Задачи

6.1. Определить коэффициент теплоотдачи от горизонтальной поверхности нагревателя к кипящей воде, находящейся под давлением 0,5 МПа.

Тепловая нагрузка поверхности нагревателя равна 1 МВт/м2.

Решение

Тепловая нагрузка поверхности нагревателя меньше первой критической при том же давлении (см. выше)

Вт/м2 < Вт/м2.

Режим кипения является пузырьковым.

При заданном давлении из приложений Б и Д выписываем параметры воды

151,84 0С; = 1,17 и = 0,684 Вт/(м К).

Определяем характеристики теплообмена при кипении воды по приложению Г

М; м2/Вт.

Находим по формуле (6.5)

Определяем по уравнению (6.1)

Коэффициент теплоотдачи исходя из выражения числа по уравнению (6.3)

Вт/(м2 К).

6.2. Выполнить расчет в условиях задачи 6.1 по формуле (6.8) и сравнить с результатом предыдущего расчета.

6.3. На поверхности трубчатого электронагревателя с наружным диаметром 38 мм и длиной 1 м кипит вода под давлением 480 кПа. Мощность электронагревателя 14 кВт.

Определить температуру наружной поверхности нагревателя.

6.4. Вода под давлением 1,5 МПа кипит в большом объеме. Тепловая нагрузка нагревателя составляет 1,25 МВт/м2. Определить коэффициент теплоотдачи.

Выполнить расчет по уравнениям (6.1) и (6.8).

6.5. Определить тепловую нагрузку поверхности нагрева при кипении воды в большом объеме, в котором вода находится под давлением 0,62 МПа. Температура поверхности нагрева равна 175 0С.

Решение

При давлении воды = 0,62 МПа выписываем из приложений Б и Д:

160 ºС; = 1,1 и = 0,68 Вт/(м К).

Принимаем пузырьковый режим кипения.

Из приложения Г находим

0,526 К– 1 и = м.

Определяем

В таком случае по уравнению (6.6)

Коэффициент теплоотдачи

Критическая тепловая нагрузка Вт/м2, что значительно больше расчетной в условиях задачи. Режим кипения является пузырьковым.

6.6. Из воды, кипящей в большом объеме, необходимо получить 250 кг сухого насыщенного пара за 1 ч. Найти необходимую поверхность нагрева, если давление пара – 0,8 МПа, а температура поверхности нагрева равна 180 ºС.

6.7. На поверхности провода электрокипятильника происходит пузырьковое кипение воды в большом объеме при давлении 0,15 МПа. Диаметр провода 3 мм, а удельное сопротивление – Ом м.

Допустимый перегрев воды равен 20 ºС.

Определить допустимую силу тока.

6.8. В парообразователе с общей площадью поверхности нагрева 12 м2 получают сухой насыщенный водяной пар давлением 0,02 МПа из кипящей воды. Определить паропроизводительность аппарата при температурном напоре на поверхности нагрева равном 17 ºС.

6.9. Вычислить коэффициент теплоотдачи при кипении воды и массу пара, получаемую в испарителе за 1 ч. Общая площадь поверхности нагрева равна 5 м2, перегрев кипящей воды на поверхности нагрева составляет 12 ºС, получаемый пар – влажный насыщенный степенью сухости 0,9, давление пара – 0,17 МПа.

6.10. Определить необходимую площадь испарительной поверхности котла паропроизводительностью 10 т/ч. Давление водяного пара – 1,4 МПа, пар является сухим насыщенным. Температурный напор на поверхности нагрева равен
10 ºС. Расчет выполнить в условиях пузырькового кипения в большом объеме.

6.11. Какой температурный напор необходимо обеспечить в условиях задачи 6.10, чтобы при той же площади поверхности нагрева увеличить паропроизводительность в 2 раза.

Определить коэффициент теплоотдачи к кипящей воде, приняв температуру внутренней поверхности трубы равной 173 ºС.

6.15. Определить температуру внутренней поверхности трубы, если тепловая нагрузка поверхности равна 0,5 МВт/м2, скорость кипящей воды – 1,5 м/с, давление воды – 1,26 МПа. Внутренний диаметр трубы равен 38 мм.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На рисунке приведена зависимость коэффициента от (перегрева жидкости).

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

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

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

при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции.

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

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

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

При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи, используют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между температурным напором "стенка - жидкость" и тепловым потоком через поверхность теплообмена:

где Q - тепловой поток, Вт; q=Q/F - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2; F - поверхность теплообмена (стенки), м2; - средний по поверхности F коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2К); - температура поверхности теплообмена (стенки), 0С; - температура насыщения жидкости при заданном давлении, 0С.

При этом в качестве температурного напора выступает перегрев стенки:

где T f, max - максимальный перегрев жидкости, 0С.

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверхности теплообмена и температурному напору между стенкой и жидкостью.

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2К), - это коэффициент пропорциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи. Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от большого числа различных факторов:

а) физических свойств жидкости;

б) чистоты жидкости;

в) ее температуры и давления;

г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообмена;

д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности;

е) величины перегрева жидкости и т.п.

Поэтому определение коэффициента теплоотдачи при кипении - весьма трудная задача. Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по поверхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при температурном напоре в 10C (1 К).

Режимы кипения (теплоотдачи)

Механизм кипения и интенсивность теплоотдачи зависят от величины перегрева стенки. Выделяют три основных режима кипения: пузырьковый, переходный и пленочный.

На практике наиболее часто встречается кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, через которую подводится тепловая энергия.

Процесс кипения является частным случаем конвективного теплообмена, в котором происходит дополнительный перенос массы вещества и теплоты паровыми пузырями от поверхности нагрева в объем жидкости.

Пузырьковый режим

Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначительном перегреве жидкости, "работают" лишь крупные центры парообразования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют радиус меньше критического.

С увеличением перегрева жидкости активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.

В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро увеличивается (рис. 3, область 2). Коэффициент теплоотдачи достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/ (м2К) (при высоких давлениях).

Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара. Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур. Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву 8 ? жидкости и давлению. силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле вида:

где C1, z, n - эмпирические постоянные; ?Tw - перегрев стенки, 0С; . - давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар.

Формулу используют в расчетах пузырькового кипения при граничных условиях первого рода.

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

Первый кризис кипения. Переходный режим

При дальнейшем увеличении перегрева (?Tw) интенсивность теплоотдачи, достигнув максимума в критической точке "кр1", начинает снижаться (см. рис.3 область 3) из-за слияния всевозрастающего количества пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения?Tw и охватывает в итоге всю стенку, превращаясь в сплошную паровую пленку, плохо проводящую теплоту.

Таким образом, происходит постепенный переход от пузырькового режима кипения к пленочному, сопровождающийся снижением интенсивности теплоотдачи. Начало такого перехода называют первым кризисом кипения . Под кризисом понимают коренное изменение механизма кипения и теплоотдачи.

Второй кризис кипения. Пленочный режим

При дальнейшем увеличении перегрева (?Tw) интенсивность теплоотдачи, достигнув минимума во второй критической точке "кр2", снова начинает возрастать в области пленочного режима кипения (см. рис.3, области 4 и 5). Такую перемену характера влияния перегрева на теплоотдачу называют вторым кризисом кипения .

В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет жидкость от поверхности и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент теплоотдачи перестает снижаться, оставаясь практически постоянным. Тепловой же поток, согласно закону Ньютона (3), снова начнет увеличиваться из-за возрастания температурного напора?Tw. Интенсивность теплоотдачи в пленочном режиме кипения весьма низка, и это приводит к сильному перегреву поверхности теплообмена.

Кипение в большом объёме

Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:

где - тепловой поток;

Температура стенки;

средняя температура жидкости.

Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения (рисунок 4).

Рис. 4.

Можно выделить пять характерных областей:

1. До точки. Область конвекции;

2. Между точками и. Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;

3. Между точками и. Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;

4. Между точками и. Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется "сливанием" отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;

5. От точки. Область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.

Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая температуру греющей стенки. В этом случае, по мере увеличения последовательно сменяются пять областей кипения.

В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга режимы конвекция не кипящей жидкости (до т.), поверхностного кипения (между точками и) и развитого пузырькового кипения (между точками и). При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой пленкой (от точки до точки), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки). Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток, при котором начинается резкий рост температур (-) - первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто - критическим тепловым потоком.

Если после достижения точки тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки. В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки до точки), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток, при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (-), называется вторым критическим тепловым потоком.

Теплообмен при кипении жидкостей

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 5.1 Распределение температур в объеме кипящей жидкости

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

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

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

Рисунок 5.2 Процесс кипения жидкости

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

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

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

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

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