Wärmeübergangskoeffizient beim Sieden nach experimentellen Daten. Arten des Siedens von Flüssigkeiten. Was machen wir mit dem erhaltenen Material?

Das Sieden von Flüssigkeiten wird in einem großen Volumen mit freier Bewegung oder in Rohren und Kanälen mit erzwungener Bewegung betrachtet. Die Intensität der Wärmeübertragung beim Sieden hängt von der Art der Flüssigkeit und ihren thermophysikalischen Eigenschaften ab. Die definierende Temperatur ist die Sättigungstemperatur.

Wir beschränken uns auf die Betrachtung der Wärmeübertragung unter den Bedingungen des Blasensiedens.

Beim Kochen in einem großen Volumen und einer gegebenen Oberflächenwärmestromdichte (Wärmebelastung der Heizfläche) wird der Wärmeübergang mit folgenden Abhängigkeiten berechnet:

- bei< 0,01

Die Gleichungen verwenden die Notation verallgemeinerter Variablen:

Wo ist die charakteristische geometrische Größe proportional zum kritischen Durchmesser der Dampfblase auf der Heiz- (Verdampfungs-) Oberfläche, m;

Wo ist die reduzierte Verdampfungsrate, die das Dampfvolumen charakterisiert, das pro Flächeneinheit der Heizfläche pro Zeiteinheit erzeugt wird, m3/(m2 s);

ist die spezifische Verdampfungswärme, J/kg;

ist die Dichte des erzeugten Dampfes, kg/m3.

Die Abhängigkeiten (6.1) und (6.2) gelten unter folgenden Bedingungen: ; ; der Volumengehalt an Dampf in der siedenden Flüssigkeit überschreitet 70 % nicht.

Es ist üblich, aufzuschreiben

Wo ist ein Parameter, der von den thermophysikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit abhängt, m2/W.

Beim Kochen in einem großen Volumen und einer bestimmten Temperaturdifferenz (Differenz zwischen der Temperatur der Heizfläche und der Sättigungstemperatur) werden die folgenden Gleichungen verwendet:

- bei

- bei<

Wo ist der Temperaturunterschied, K;

ist ein von den thermophysikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit abhängiger Parameter K– 1.

Die Werte der Parameter , und sind für Wasser in Anhang D in Abhängigkeit von der Sättigungstemperatur angegeben.

Die oben berechneten Abhängigkeiten werden bei thermischen Belastungen verwendet, die kleiner als die erste kritische thermische Belastung sind, bei der ein Übergang zum Filmsiedemodus beobachtet wird. Der Wert der ersten kritischen thermischen Belastung für Wasser ist unten angegeben:

Für eine bestimmte Art von Flüssigkeit hängt der Wärmeübergangskoeffizient beim Sieden in einem großen Volumen nur von der Oberflächenwärmestromdichte und dem Sättigungsdruck ab. Daher werden empirische Beziehungen verwendet.

Für Wasser im Druckbereich von 0,1 bis 4 MPa sind die Abhängigkeiten

, (6.8)

, (6.9)

Wo ist der Sättigungsdruck, MPa;

Beim Blasensieden in Rohren und Kanälen wird berücksichtigt, dass die Wärmeübertragung sowohl durch die Konvektion der Flüssigkeit während ihrer erzwungenen Bewegung als auch durch den Verdampfungsprozess in der siedenden Flüssigkeit bestimmt wird.

Beim Sieden bei einem volumetrischen Dampfgehalt von nicht mehr als 70 % berechnet sich der Wärmeübergang wie folgt:

- Finden Sie die Wärmeübergangskoeffizienten für erzwungene Bewegung in Rohren und für Blasensieden in einem großen Volumen (bzw. und );

- Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten für Blasensieden in Rohrleitungen:

– wenn akzeptieren = ;

– bei 0,5< < 2 вычисляют

; (6.10)

– wenn akzeptieren = .

Die Formel

, (6.11)

Dabei ist die maßgebende Temperatur die mittlere Temperatur des Mediums.

Aufgaben

6.1. Bestimmen Sie den Wärmeübergangskoeffizienten von der horizontalen Oberfläche des Heizgeräts zu kochendem Wasser bei einem Druck von 0,5 MPa.

Die Heizlast der Heizfläche beträgt 1 MW/m2.

Lösung

Die thermische Belastung der Heizfläche ist kleiner als die erste kritische bei gleichem Druck (siehe oben)

W/m2< Вт/м2.

Der Kochmodus ist sprudelnd.

Bei einem bestimmten Druck aus den Anhängen B und D schreiben wir die Wasserparameter aus

151,84 0С; = 1,17 und = 0,684 W/(m·K).

Wir bestimmen die Eigenschaften der Wärmeübertragung beim Kochen von Wasser gemäß Anhang D

M; m2/W.

Wir finden nach der Formel (6.5)

Bestimmung nach Gleichung (6.1)

Wärmedurchgangskoeffizient basierend auf dem Ausdruck der Zahl nach Gleichung (6.3)

W/(m2·K).

6.2. Führen Sie die Rechnung unter den Bedingungen von Aufgabe 6.1 nach Formel (6.8) durch und vergleichen Sie mit dem Ergebnis der vorherigen Rechnung.

6.3. Auf der Oberfläche eines elektrischen Rohrheizkörpers mit einem Außendurchmesser von 38 mm und einer Länge von 1 m siedet Wasser unter einem Druck von 480 kPa. Elektrische Heizleistung 14 kW.

Bestimmen Sie die Temperatur der Außenfläche des Heizkörpers.

6.4. Wasser unter einem Druck von 1,5 MPa kocht in großen Mengen. Die Heizlast der Heizung beträgt 1,25 MW/m2. Bestimmen Sie den Wärmedurchgangskoeffizienten.

Berechnung nach Gleichungen (6.1) und (6.8) durchführen.

6.5. Bestimmen Sie die Wärmebelastung der Heizfläche beim Kochen von Wasser in einem großen Volumen, in dem Wasser unter einem Druck von 0,62 MPa steht. Die Temperatur der Heizfläche beträgt 175 0 C.

Lösung

Bei einem Wasserdruck = 0,62 MPa schreiben wir aus den Anhängen B und D aus:

160 ºС; = 1,1 und = 0,68 W/(m·K).

Wir akzeptieren den Blasenmodus des Kochens.

Aus Anhang D finden wir

0,526 K– 1 und = m.

Wir definieren

In diesem Fall gilt nach Gleichung (6.6)

Hitzeübertragungskoeffizient

Kritische thermische Belastung W/m2, was viel mehr ist als unter den Bedingungen der Aufgabe berechnet. Der Kochmodus ist sprudelnd.

6.6. Aus Wasser, das in einem großen Volumen kocht, müssen in 1 Stunde 250 kg trockener Sattdampf gewonnen werden.Ermitteln Sie die erforderliche Heizfläche, wenn der Dampfdruck 0,8 MPa und die Heizflächentemperatur 180 ° C beträgt.

6.7. Blasensieden von Wasser tritt in einem großen Volumen bei einem Druck von 0,15 MPa auf der Oberfläche des Elektrokesseldrahts auf. Der Drahtdurchmesser beträgt 3 mm, und der spezifische Widerstand beträgt Ohm m.

Die zulässige Überhitzung des Wassers beträgt 20 ºС.

Bestimmen Sie den zulässigen Strom.

6.8. In einem Dampferzeuger mit einer Gesamtheizfläche von 12 m2 wird aus kochendem Wasser trockener Sattdampf mit einem Druck von 0,02 MPa gewonnen. Bestimmen Sie die Dampfkapazität des Geräts bei einer Temperaturdifferenz von 17 ° C auf der Heizfläche.

6.9. Berechnen Sie den Wärmeübergangskoeffizienten bei kochendem Wasser und die im Verdampfer erhaltene Dampfmasse für 1 Stunde.Die gesamte Heizfläche beträgt 5 m2, die Überhitzung von kochendem Wasser auf der Heizfläche beträgt 12 ° C, der resultierende Dampf ist feucht gesättigt Trockengrad 0,9, Dampfdruck 0,17 MPa.

6.10. Bestimmen Sie die erforderliche Fläche der Verdampfungsfläche des Kessels mit einer Dampfleistung von 10 t/h. Der Wasserdampfdruck beträgt 1,4 MPa, der Dampf ist trocken gesättigt. Die Temperaturdifferenz an der Heizfläche ist gleich
10 ºС. Die Berechnung wird unter Bedingungen des Blasensiedens in einem großen Volumen durchgeführt.

6.11. Welche Temperaturdifferenz muss unter den Bedingungen der Aufgabe 6.10 bereitgestellt werden, um bei gleicher Heizfläche die Dampfleistung um das 2-fache zu erhöhen?

Bestimmen Sie den Wärmeübergangskoeffizienten für kochendes Wasser unter der Annahme, dass die Temperatur der Innenfläche des Rohrs 173 ° C beträgt.

6.15. Bestimmen Sie die Temperatur der Innenfläche des Rohrs, wenn die Wärmebelastung der Oberfläche 0,5 MW / m2 beträgt, die Geschwindigkeit des kochenden Wassers 1,5 m / s beträgt und der Wasserdruck 1,26 MPa beträgt. Der Innendurchmesser des Rohres beträgt 38 mm.

Kochen ist der Verdampfungsprozess, der bei der Siedetemperatur (Sättigung) in der Dicke der Flüssigkeit auftritt. Dabei wird die Wärme des Phasenübergangs aufgenommen, wodurch zur Aufrechterhaltung des Prozesses eine kontinuierliche Wärmezufuhr, d.h. Sieden ist mit Wärmeübertragung verbunden. Beim Kochen bildet sich die Dampfphase in Form von Blasen. In einer erhitzten, nicht siedenden Flüssigkeit wird ohne erzwungene Strömung Wärme durch freie Konvektion und Wärmeleitung durch die Grenzschicht übertragen. Beim Sieden erfolgt die Übertragung der Stoffmasse und Wärme von der Grenzschicht auf das Flüssigkeitsvolumen auch durch Dampfblasen, die beim Aufsteigen eine intensive Durchmischung der Flüssigkeit und Turbulenzen der Grenzschicht verursachen üblicherweise durch die Wärmetauscherfläche zugeführt, treten auch an dieser Fläche Blasen auf. Wenn die Oberfläche in ein großes Flüssigkeitsvolumen eingetaucht ist, dessen erzwungene Bewegung fehlt, wird ein solcher Vorgang als Kochen in einem großen Volumen bezeichnet. In der thermischen Energietechnik treten Siedevorgänge am häufigsten an der Heizfläche (Rohroberflächen, Kesselwände etc.) auf.

Kochmodi. Es gibt zwei Siedemodi: Blasenmodus, wenn Dampf auf der Oberfläche in Form von separaten, periodisch keimbildenden Blasen gebildet wird, und Filmsiedemodus, wenn die Anzahl der Blasen in der Nähe der Oberfläche so groß wird, dass sie zu einem einzigen Dampffilm verschmelzen. durch die Wärme von der erhitzten Oberfläche auf das Volumen der flüssigen Wärmeleitfähigkeit übertragen wird. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Dampf etwa 30-mal geringer ist als der von Wasser, steigt der Wärmeleitfähigkeitswiderstand durch den Dampffilm stark an, was zum Ausbrennen der Wärmeaustauschfläche führen kann. Daher ist dieser Modus in thermischen Kraftwerken nicht zulässig.

Bedingungen, die für den Siedeprozess erforderlich sind. Für das Auftreten des Siedens sind zwei Bedingungen notwendig und ausreichend: das Vorhandensein einer Überhitzung der Flüssigkeit relativ zur Sättigungstemperatur bei Flüssigkeitsdruck und das Vorhandensein von Verdampfungszentren, die verschiedene Einschlüsse in der Flüssigkeit sein können (Feststoffpartikel und Gasblasen ), sowie Vertiefungen und Vertiefungen auf der Wärmeaustauschfläche, die mit Rauhigkeiten einhergehen.

Lassen Sie die Flüssigkeit in einem Gefäß mit beheiztem Boden sein. Wenn die Flüssigkeit kocht, dann ist die Temperatur des Dampfes über der Flüssigkeit . Die Temperatur in der Flüssigkeit selbst ist immer etwas höher. Wenn Sie sich dem beheizten Boden nähern, ändert sich die Temperatur praktisch nicht. Erst in unmittelbarer Nähe des Bodens steigt sie steil auf .

Aus der Abbildung folgt, dass die größte Überhitzung () an der Wärmeaustauschfläche beobachtet wird, aber es gibt auch Verdampfungszentren in Form von Rauhigkeiten. Dies erklärt, warum sich Blasen genau auf der Wärmeaustauschfläche bilden.

Damit sich die Blase entwickelt, d.h. Volumenzunahmen aufgrund der Verdunstung von Flüssigkeit von der Oberfläche der Blase in diese hinein, muss der Dampfdruck darin größer sein als der Druck aufgrund der umgebenden Flüssigkeit und der Kraft der Oberflächenspannung.

Druck und Sättigungstemperatur hängen eng zusammen: je höher der Druck, desto höher die Sättigungstemperatur. Daraus wird deutlich, warum eine der Bedingungen für das Auftreten von Sieden (Bildung von Dampfblasen) die Überhitzung der Flüssigkeit ist. Das Volumen der Blase nimmt zu, bis die Auftriebskraft, die dazu neigt, sie abzureißen, größer ist als die Kräfte, die sie an der Oberfläche halten. Die Größe der Blase zum Zeitpunkt ihrer Ablösung wird durch den Ablösedurchmesser charakterisiert. Die abgelöste Blase bewegt sich nach oben und nimmt weiter an Volumen zu. An der Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche platzt die Blase.

Da an der Wärmeaustauschfläche Blasen entstehen, wachsen und abbrechen, zerstören sie dabei die Grenzschicht, die den Hauptwärmewiderstand darstellt. Daher ist die Wärmeübertragung beim Kochen ein sehr intensiver Prozess. Für Wasser erreicht der Koeffizient beispielsweise (10 ... 40) 10 3 W / (m 2 × K).

Während des Siedevorgangs kommt die Wärmeaustauschfläche teilweise mit der Dampfphase, teilweise mit der flüssigen Phase in Kontakt. Aber , Wärme wird also hauptsächlich auf das flüssige Medium übertragen, d.h. geht zu seiner Überhitzung, und erst dann verdunstet die überhitzte Flüssigkeit von der Oberfläche der Blasen in sie hinein.

Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Koeffizienten von (Flüssigkeitsüberhitzung).

Folgende Siedebereiche können unterschieden werden. Bei geringen Temperaturunterschieden wird die Wärmeübertragung hauptsächlich durch die Bedingungen der freien Konvektion bestimmt, da die Anzahl der sich bildenden Blasen gering ist und sie keinen signifikanten Einfluss auf die Grenzschicht haben - dies ist der Bereich des konvektiven Siedens I. In diesem Bereich , der Wärmeübergangskoeffizient ist proportional zu . Mit zunehmender Flüssigkeitsüberhitzung können immer weniger Rauhigkeiten als Verdampfungszentren dienen, was zu einer Zunahme ihrer Anzahl führt, außerdem steigt die Häufigkeit der Blasenablösung in jedem Verdampfungszentrum. Dadurch erhöht sich die Zirkulation in der Grenzschicht, wodurch der Wärmeübergang stark ansteigt. Es stellt sich ein entwickeltes Bubble-Sieding-Regime ein (Bereich II). proportional.

Mit einer weiteren Erhöhung der Temperaturdifferenz () wird die Anzahl der Blasen so groß, dass sie zu verschmelzen beginnen, wodurch ein zunehmender Teil der Oberfläche mit der Dampfphase in Kontakt kommt, deren Wärmeleitfähigkeit ist geringer als bei Flüssigkeiten. Daher beginnt die Wärmeübertragung, nachdem sie ein Maximum erreicht hat, abzunehmen (Übergangsmodus III), bis sich ein kontinuierlicher Dampffilm bildet, der die Flüssigkeit von der Heizfläche trennt. Diese Art des Siedens wird Filmsieden genannt (Bereich IV). Im letzteren Fall ist der Koeffizient praktisch unabhängig von .

Die Abbildung zeigt die experimentell ermittelte Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmestromdichte

wenn Wasser in einem großen Volumen unter Bedingungen freier Konvektion kocht.

Aus der Abbildung folgt, dass mit zunehmender Wärmestromdichte der Wärmeübergangskoeffizient zunimmt (Abschnitt O - A). Dieser Abschnitt entspricht dem Bubble-Sieding-Regime. Bei Erreichen

Wärmestromdichte \u003d W / m 2, der Wärmeübertragungskoeffizient nimmt stark ab (Linie A - D) - der Blasenmodus wird durch einen Filmmodus ersetzt. Abschnitt D–D entspricht dem Filmregime. Das Phänomen des Übergangs des Blasenmodus des Siedens in den Film wird genannt

erste kochende Krise (). Beim Übergang vom Blasenregime zum Filmregime steigt die Temperaturdifferenz deutlich an. Der umgekehrte Übergang vom Film- zum Blasensieden erfolgt bei einer Wärmestromdichte W / m 2 (Linie B - C), was etwa 4-mal weniger ist. Das Phänomen des Übergangs vom Filmsieden zum Blasensieden wird als zweite Siedekrise () bezeichnet. Der Abschnitt der Kurve A - B charakterisiert den Übergangsmodus, hier können sowohl Blasen- als auch Filmmodus gleichzeitig auf verschiedenen Teilen der Heizfläche koexistieren.

Beim Sieden wird wie bei allen anderen Wärmeübertragungsprozessen die Wärmeübertragungsgleichung (Newtonsches Gesetz) verwendet, die den Zusammenhang zwischen der Temperaturdifferenz "Wand-Flüssigkeit" und dem Wärmestrom durch die Wärmeaustauschfläche herstellt:

wo Q - Wärmefluss, W; q=Q/F - Oberflächenwärmestromdichte, W/m2; F - Wärmeaustauschfläche (Wände), m2; der über die Fläche gemittelte Wärmedurchgangskoeffizient F, W/(m2K); - Temperatur der Wärmeaustauschfläche (Wand), 0С; - Flüssigkeitssättigungstemperatur bei einem bestimmten Druck, 0 ° C.

In diesem Fall wirkt die Überhitzung der Wand als Temperaturdifferenz:

wobei T f, max die maximale Überhitzung der Flüssigkeit ist, 0С.

Somit ist der Wärmestrom proportional zur Fläche F der Wärmeaustauschfläche und der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Flüssigkeit.

Hitzeübertragungskoeffizient

Der Wärmedurchgangskoeffizient W / (m2K) ist ein Proportionalitätskoeffizient im Newtonschen Gesetz, der die Intensität der Wärmeübertragung charakterisiert. Der Wert des Wärmeübergangskoeffizienten beim Sieden hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab:

a) die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit;

b) die Reinheit der Flüssigkeit;

c) Temperatur und Druck;

d) geometrische Form, Abmessungen und räumliche Ausrichtung der Wärmeaustauschfläche;

e) Material und Rauheit (Sauberkeit der Bearbeitung) der Oberfläche;

f) Flüssigkeitsüberhitzungswerte usw.

Daher ist die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten beim Sieden eine sehr schwierige Aufgabe. Es gibt lokale (an einem bestimmten Punkt auf der Oberfläche) und mittlere Werte des Wärmeübergangskoeffizienten über die Wärmeübertragungsfläche:

Das heißt, der Wärmeübertragungskoeffizient ist numerisch gleich dem Wärmefluss, der durch eine Einheitswärmeaustauschfläche bei einer Temperaturdifferenz von 10 ° C (1 K) übertragen wird.

Siedemodi (Wärmeübertragung)

Der Siedemechanismus und die Intensität der Wärmeübertragung hängen von der Größe der Überhitzung der Wand ab. Es gibt drei Hauptkochmodi: Blase, Übergang und Film.

Am gebräuchlichsten in der Praxis ist das Sieden einer Flüssigkeit auf einer festen Wärmeaustauschfläche, durch die Wärmeenergie zugeführt wird.

Der Siedevorgang ist ein Sonderfall der konvektiven Wärmeübertragung, bei dem zusätzlich die Stoffmasse und Wärme durch Dampfblasen von der Heizfläche in das Flüssigkeitsvolumen übertragen werden.

Bubble-Modus

Der Radius der Grenzfläche des Blasenkerns ist proportional zur Größe der Mikrorauhigkeit, die ihn auf der Wandoberfläche bildet. Daher „arbeiten“ zu Beginn des Blasensiederegimes bei leichter Überhitzung der Flüssigkeit nur große Verdampfungszentren, da die Blasenkerne kleiner Zentren einen Radius haben, der kleiner als der kritische ist.

Mit zunehmender Überhitzung der Flüssigkeit werden kleinere Verdampfungszentren aktiviert, wodurch die Anzahl der gebildeten Blasen und die Häufigkeit ihrer Ablösung zunehmen.

Dadurch steigt die Intensität der Wärmeübertragung extrem schnell an (Abb. 3, Bereich 2). Der Wärmedurchgangskoeffizient erreicht Zehn- und sogar Hunderttausende von W/(m2K) (bei hohen Drücken).

Dies liegt an der hohen spezifischen Wärme des Phasenübergangs und der intensiven Durchmischung der Flüssigkeit durch Anwachsen und Ablösen von Dampfblasen. Der Blasenkochmodus bietet die effizienteste Wärmeübertragung. Dieser Modus wird in Dampferzeugern von Wärme- und Kernkraftwerken verwendet, wenn Motoren, Strukturelemente von Energie, metallurgischen und chemischen Einheiten gekühlt werden, die bei hohen Temperaturen arbeiten. Die Wärmeübertragung im Blasenmodus ist proportional zur Anzahl der aktiven Verdampfungszentren und zur Häufigkeit der Blasenablösung, die wiederum proportional zur maximalen Überhitzung sind 8 Flüssigkeit und Druck. Aus diesem Grund kann der durchschnittliche Wärmedurchgangskoeffizient mit einer Formel der Form berechnet werden:

wobei C1, z, n empirische Konstanten sind; ?Tw - Wandüberhitzung, 0С; . - Sättigungsdruck (externer Flüssigkeitsdruck), bar.

Die Formel wird bei Berechnungen des Blasensiedens unter Randbedingungen der ersten Art verwendet.

Reis. 3. Wärmeübertragungskurven während des Siedens: 1 - konvektiver Bereich ohne Sieden; 2 - Bereich des Keimsiedens; 3 - Übergangsbereich; 4 - Bereich des Filmsiedens; 5 - Abschnitt des Filmsiedens mit einem erheblichen Anteil an Wärmeübertragung durch Strahlung; kr1, kr2 ​​​​sind die Punkte der ersten bzw. zweiten Siedekrise.

Die erste Siedekrise. Übergangsmodus

Bei einer weiteren Zunahme der Überhitzung (ΔTw) beginnt die Wärmeübertragungsintensität, die am kritischen Punkt „cr1“ ein Maximum erreicht hat, aufgrund der Zusammenführung einer immer größer werdenden Zahl von zu sinken (siehe Abb. 3, Bereich 3). Blasen in Dampfflecken. Die Fläche der Dampfflecken nimmt mit zunehmendem ΔTw zu und bedeckt schließlich die gesamte Wand und verwandelt sich in einen durchgehenden Dampffilm, der die Wärme schlecht leitet.

Somit findet ein allmählicher Übergang vom Blasen- zum Filmsieden statt, begleitet von einer Abnahme der Intensität der Wärmeübertragung. Der Beginn eines solchen Übergangs wird genannt erste Siedekrise. Unter einer Krise versteht man eine grundlegende Veränderung des Mechanismus des Siedens und der Wärmeübertragung.

Die zweite Siedekrise. Filmmodus

Mit einer weiteren Zunahme der Überhitzung (ΔTw) beginnt die Wärmeübertragungsintensität, die am zweiten kritischen Punkt „cr2“ ein Minimum erreicht hat, im Bereich des Filmsiederegimes wieder anzusteigen (siehe Abb. 3, Bereiche 4 und 5 ). Eine solche Änderung in der Art der Auswirkung der Überhitzung auf die Wärmeübertragung wird genannt zweite Siedekrise.

Im Filmsiedemodus drückt ein kontinuierlicher Dampffilm die Flüssigkeit von der Oberfläche weg und die Wärmeübertragungsbedingungen werden stabilisiert, während der Wärmeübertragungskoeffizient nicht mehr abnimmt und praktisch konstant bleibt. Der Wärmestrom wird nach dem Newtonschen Gesetz (3) aufgrund einer Erhöhung der Temperaturdifferenz ΔTw wieder ansteigen. Die Intensität der Wärmeübertragung im Filmsiedemodus ist sehr gering, was zu einer starken Überhitzung der Wärmeaustauschfläche führt.

Kochen in großen Mengen

Der von der Oberfläche auf das kochende Wasser übertragene Wärmestrom lässt sich eindeutig der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Flüssigkeit zuordnen:

wo ist der Wärmestrom;

Wandtemperatur;

die durchschnittliche Temperatur der Flüssigkeit.

Diese Abhängigkeit charakterisiert den Wärmeübergang von der Heizfläche zur Flüssigkeit und wird als Siedekurve bezeichnet (Abbildung 4).

Reis. vier.

Es lassen sich fünf charakteristische Bereiche unterscheiden:

1. Auf den Punkt. Konvektionsbereich;

2. Zwischen Punkten und. Region des unentwickelten Blasensiedens. Es ist gekennzeichnet durch eine Erhöhung der Intensität der Wärmeübertragung aufgrund der Übertragung der resultierenden Blasen zum Kern der Strömung;

3. Zwischen Punkten und. Bereich des entwickelten Blasensiedens. Es zeichnet sich durch eine hohe Intensität der Wärmeübertragung aufgrund der Übertragung der entstehenden Blasen auf den Kern der Strömung aus. Die Intensität nimmt mit zunehmender Blasendichte zu;

4. Zwischen Punkten und. Bereich des instabilen Filmsiedens. Sie ist durch das „Verschmelzen“ einzelner Blasen im wandnahen Bereich gekennzeichnet. Aufgrund der Abnahme der Verdampfungszentren sowie des Wachstums des Dampffilms an der Heizfläche nimmt die Wärmeübertragung ab;

5. Von dem Punkt. Bereich des stabilen Filmsiedens. Es zeichnet sich durch eine Bedeckung der Heizfläche mit einem durchgehenden Dampffilm und dadurch eine geringe Wärmeübertragung aus.

Diese Kurve kann durch Erhöhen und Halten der Temperatur der Heizwand erhalten werden. In diesem Fall werden mit zunehmender Erhöhung fünf Siedebereiche nacheinander ersetzt.

Im Fall der Erhöhung und Aufrechterhaltung des Wärmeflusses ist die Reihenfolge der Änderung der Siederegime unterschiedlich. Erstens ersetzen sich die Modi Konvektion einer nicht siedenden Flüssigkeit (bis t.), Oberflächensieden (zwischen den Punkten i) und entwickeltes Blasensieden (zwischen den Punkten i) sukzessive. Bei einer weiteren Erhöhung des Wärmeflusses wird die Heizfläche schnell mit einem Dampffilm (von Punkt zu Punkt) bedeckt, der mit einem Temperaturanstieg einhergeht und nach kurzer Zeit nach Erreichen eines stationären Zustands durch Sieden gekennzeichnet ist eine hohe Wandtemperatur (von Punkt zu Punkt). Dieses Phänomen wird als Wärmeübertragungskrise bezeichnet, und der Wärmestrom, bei dem ein starker Temperaturanstieg beginnt (-), ist der erste kritische Wärmestrom oder häufiger einfach der kritische Wärmestrom.

Wenn nach Erreichen des Punktes der Wärmefluss abzunehmen beginnt, wird das Filmsiederegime bis zum Erreichen des Punktes beibehalten. Bei weiterer Abnahme des Wärmeflusses wechselt der Filmsiedemodus in den Blasenmodus (von Punkt zu Punkt) und die Temperatur der Heizfläche sinkt schnell. Der Wärmestrom, bei dem der Filmsiedemodus in Blasenbildung (-) übergeht, wird als zweiter kritischer Wärmestrom bezeichnet.

Wärmeübertragung bei kochenden Flüssigkeiten

Allgemeine Vorstellungen über den Kochvorgang. Sieden ist der Prozess der Dampfbildung in einem Flüssigkeitsvolumen. Die Bedingungen für diesen Prozess sind eigentümlich und komplex.

Für das Auftreten des Siedens ist immer eine gewisse Überhitzung der Flüssigkeit erforderlich, d. H. Der Überschuss der Flüssigkeitstemperatur - t W relativ zur Sättigungstemperatur - t s bei einem gegebenen Druck - p.

Diese Überhitzung hängt, wie Experimente zeigen, von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, ihrer Reinheit, ihrem Druck, aber auch von den Eigenschaften fester Grenzflächen ab. Je reiner die Flüssigkeit ist, desto höher ist die anfängliche Überhitzung, die für das Auftreten des Siedens erforderlich ist. Es sind Versuche bekannt, bei denen sorgfältig gereinigte Flüssigkeiten ohne gelöste Gase ohne Aufkochen bei Normaldruck um mehrere zehn Grad überhitzt werden konnten. Am Ende kocht eine solche überhitzte Flüssigkeit jedoch immer noch, und das Sieden erfolgt äußerst heftig und ähnelt einer Explosion. Die Überhitzungswärme der Flüssigkeit wird zum Verdampfen verbraucht, die Flüssigkeit wird schnell auf die Sättigungstemperatur abgekühlt. Die für das Sieden einer reinen Flüssigkeit erforderliche hohe anfängliche Überhitzung erklärt sich durch die Schwierigkeit der spontanen Bildung anfänglicher kleiner Dampfblasen (Keime) innerhalb der Flüssigkeit aufgrund der erheblichen Energie der gegenseitigen Anziehung von Molekülen in der Flüssigkeit.

Anders verhält es sich, wenn die Flüssigkeit ein gelöstes Gas (z. B. Luft) sowie kleinste Schwebeteilchen enthält. Wenn es erhitzt wird, beginnt der Siedeprozess fast unmittelbar nachdem die Flüssigkeit die Sättigungstemperatur erreicht hat. In diesem Fall ist das Kochen ruhig. Dabei dienen beim Erhitzen entstehende Gasbläschen sowie Feststoffpartikel in der Flüssigkeit als fertige Ausgangskeime der Dampfphase.

Die anfängliche Überhitzung nimmt auch ab, wenn die Wände des Behälters, in dem die Flüssigkeit erhitzt wird, an der Oberfläche adsorbiertes Gas, Mikrorauhigkeiten und verschiedene Inhomogenitäten und Einschlüsse aufweisen, die die molekulare Haftung der Flüssigkeit an der Oberfläche verringern. Bei Wärmezufuhr durch eine solche Oberfläche beobachtet man an einzelnen Stellen der Oberfläche, den sogenannten Verdampfungszentren, die Bildung von Blasen. Der Siedevorgang beginnt also in diesem Fall in den Flüssigkeitsschichten, die mit der Oberfläche in Kontakt stehen und mit ihr die gleiche Temperatur haben. Für die Praxis ist diese Art des Kochens von größtem Interesse. Betrachten Sie seine Hauptmerkmale.

Mit zunehmender Temperatur der Heizfläche t Q und entsprechend der Temperaturdifferenz At = t c - t s nimmt die Zahl der aktiven Verdampfungszentren zu, der Siedevorgang wird immer intensiver.

Dampfblasen lösen sich periodisch von der Oberfläche und nehmen an der freien Oberfläche aufschwimmend weiter an Volumen zu. Letzteres erklärt sich aus der Tatsache, dass die Temperatur in der Masse der siedenden Flüssigkeit, wie experimentelle Daten zeigen, nicht gleich der Sättigungstemperatur ist, sondern diese etwas übersteigt. Bei Wasser mit atmosphärischem Druck beträgt die Volumenüberhitzung beispielsweise 0,2 bis 0,4 ° C (Abb. 5.1).

Abbildung 5.1 Temperaturverteilung im Volumen einer siedenden Flüssigkeit

Auf Abb. 5.2, a zeigt schematisch das Bild des Blasenregimes beim Sieden von Flüssigkeiten. Mit zunehmender Temperaturdifferenz At steigt der Wärmestrom deutlich an, der von der Heizfläche an die siedende Flüssigkeit abgeführt wird. All diese Wärme wird letztendlich für die Dampfbildung aufgewendet. Daher hat die Wärmebilanzgleichung für das Sieden die Form:

wo Q - Wärmefluss, W; r ist die Phasenübergangswärme der Flüssigkeit, J/kg; G" ist die Dampfmenge, die pro Zeiteinheit als Ergebnis des Siedens einer Flüssigkeit erzeugt und von ihrer freien Oberfläche entfernt wird, kg/s.

Der Wärmestrom Q steigt mit steigender Temperaturdifferenz nicht unendlich an. Bei einem bestimmten Wert erreicht es seinen Maximalwert und beginnt bei einer weiteren Erhöhung von At zu sinken. Bis zum Erreichen des maximalen Wärmeflusses wird der Siedemodus als sprudelnd bezeichnet. Die maximale Wärmebelastung beim Blasensieden wird als erste kritische Wärmestromdichte bezeichnet und bezeichnet

Abbildung 5.2 Flüssigkeitssiedeprozess

Für Wasser bei atmosphärischem Druck ist die erste kritische Wärmestromdichte ; entsprechende kritische Temperaturdifferenz . Diese Werte beziehen sich auf die Bedingungen des Siedens von Wasser während der freien Bewegung in einem großen Volumen. Für andere Bedingungen
und andere Flüssigkeiten sind die Werte unterschiedlich).

Bei großen Werten tritt ein zweiter, vorübergehender Siedemodus auf (Abb. 5.2, b). Es zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl auf der Heizfläche selbst als auch in der Nähe der Blasen kontinuierlich miteinander verschmelzen und große Dampfhohlräume entstehen.

Aus diesem Grund wird der Zugang von Flüssigkeit zur Oberfläche selbst allmählich immer schwieriger. An einigen Stellen der Oberfläche treten „trockene“ Stellen auf; ihre Zahl und Größe nimmt mit steigender Oberflächentemperatur kontinuierlich zu. Solche Abschnitte sind sozusagen vom Wärmeaustausch ausgeschlossen, da die Wärmeabfuhr direkt an den Dampf viel weniger intensiv erfolgt. Dies bestimmt die starke Abnahme des Wärmeflusses und des Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich des Übergangssiederegimes.

Schließlich wird bei einer bestimmten Temperaturdifferenz die gesamte Heizfläche von einem kontinuierlichen Dampffilm umhüllt, der die Flüssigkeit von der Oberfläche wegdrückt. So setzt der dritte Modus, das Filmkochen, ein (Abb. 5.2, c). Die Wärmeübertragung im Filmsiedemodus von der Heizfläche zur Flüssigkeit erfolgt durch konvektive Wärmeübertragung und Strahlung durch den Dampffilm. Mit zunehmender Temperaturdifferenz wird immer mehr Wärme durch Strahlung übertragen. Die Intensität der Wärmeübertragung im Filmsiedemodus ist ziemlich gering. Der Dampffilm erfährt Pulsationen; Dampf, der sich periodisch darin ansammelt, bricht in Form großer Blasen ab. Im Moment des Einsetzens des Filmsiedens ist die von der Oberfläche abgeführte Wärmelast und dementsprechend die entstehende Dampfmenge minimal. Der Mindestwert der Wärmebelastung beim Filmsieden wird als zweite kritische Wärmestromdichte bezeichnet. Bei Atmosphärendruck für Wassersieden auf technischen Metalloberflächen ist der Moment des Beginns des Filmsiedens durch eine Temperaturdifferenz gekennzeichnet , d.h. die Oberflächentemperatur beträgt ca. 250°C.

10.1. Wärmeübertragung beim Sieden von Flüssigkeiten

Wenn in funkelektronischen Einrichtungen hohe Wärmestromdichten, beispielsweise mehr als , von erhitzten Elementen und Baugruppen abgeführt werden müssen, wird der Prozess der Wärmeübertragung beim Oberflächensieden einer Flüssigkeit verwendet.

Damit eine Flüssigkeit in Kontakt mit einer erhitzten Oberfläche kocht, ist eine gewisse Überschreitung der Oberflächentemperatur erforderlich über der Sättigungstemperatur . Unter Sättigungstemperatur ist die Temperatur, bei der eine Phasenumwandlung einer Flüssigkeit bei einem gegebenen Druck stattfindet.

In diesem Fall wird die Flüssigkeitsschicht neben der erhitzten Oberfläche und mit einer Temperatur gleich der Temperatur dieser Oberfläche überhitzt.

In dieser überhitzten Schicht beginnt der Siedeprozess - an einigen Stellen der Oberfläche treten die sogenannten Verdampfungszentren auf, bei denen es sich um Mikrorauigkeiten, verschiedene Inhomogenitäten und Dampfblasen handelt.

Diese Blasen wachsen beim Prozess der Flüssigkeitsverdampfung in der überhitzten Schicht und lösen sich dann von der wärmeabgebenden Oberfläche.

Wärme wird verwendet, um Dampf zu erzeugen an die Oberfläche gebracht
, wo - Verdampfungswärme der Flüssigkeit, J/kg, - die beim Kochen entstehende Dampfmenge.

Mit leichter Überhitzung
Dampfblasen, die sich auf der erhitzten Oberfläche bilden, steigen getrennt voneinander auf, ohne dass es zu einer merklichen Vermischung der Flüssigkeit kommt (die Intensität der Wärmeabfuhr von der erhitzten Oberfläche wird gering sein). Dieser Modus wird als unterentwickeltes Blasensieden bezeichnet. Sie tritt bei Wasser bei normalem Atmosphärendruck im Temperaturbereich von 100 bis 108 0 C auf, d.h. Überhitzung
0 ... 8 0 C. Mit steigender Oberflächentemperatur und damit steigender Temperaturdifferenz
, die Anzahl der Verdampfungszentren nimmt zu, der Siedevorgang wird intensiver. Die austretenden Blasen verschmelzen zu instabilen Dampfstrahlen, die die Schichten der siedenden Flüssigkeit durchdringen, was ihre Durchmischung erhöht und das Waschen der wärmeabgebenden Oberfläche verbessert. Gleichzeitig nimmt die Wärmeabfuhr von der beheizten Oberfläche zu (Abb. 10.1). Dieser Modus wird als entwickeltes Blasensieden bezeichnet. Für Wasser bei normalem atmosphärischem Druck belegt dieser Modus den Temperaturbereich von 108 bis 125 0 С (
= 8…25).

Es ist zu beachten, dass die Temperatur im Volumen der siedenden Flüssigkeit nahe der Sättigungstemperatur liegt (für Wasser bei normalem Atmosphärendruck beträgt der Überschuss 0,2 - 0,4 ). Der Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur und der siedenden Flüssigkeit findet in der wenige Millimeter dicken Grenzschicht statt. Bei entwickeltem Blasensieden wird der Mittelwert des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten durch die Formel ausgedrückt

, (10.1.1)

wo - Wärmestromdichte, W / m 2, - Koeffizient je nach Art der siedenden Flüssigkeit

. (10.1.2)

Hier ist die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit,
;- Koeffizient der kinematischen Viskosität;
- Oberflächenspannung der Flüssigkeit; - absolute Sättigungstemperatur, K; - Dimensionsloser Koeffizient gleich

wo und sind die Dichten von Flüssigkeit bzw. Dampf.

In Ausdruck (10.1.2) werden alle physikalischen Parameter bei Sättigungstemperatur genommen .

Die Wärmestromdichte hängt mit dem Wärmeübertragungskoeffizienten durch die Beziehung zusammen
. Ersetzen in Ausdruck (10.1.1) erhalten wir nach einfachen Transformationen

.

Unter Berücksichtigung von (10.1.2) wird der Wärmedurchgangskoeffizient durch die Formel ausgedrückt

. (10.1.1, a)

Bei einem gewissen Temperaturunterschied
die Wärmestromdichte ist maximal - dies ist der sogenannte erste kritische Punkt. Für Wasser bei normalem Atmosphärendruck
= 25, während die Wärmestromdichte
=
W / m 2.

Für Werte
Blasen an der Heizfläche verschmelzen miteinander und bilden große Dampfhohlräume. In diesem Fall wird der Zutritt der Flüssigkeit zur Oberfläche behindert, wodurch die Wärmestromdichte und der Wärmeübergangskoeffizient sinken und das Übergangssiederegime einsetzt. Bei einer bestimmten Temperaturdifferenz ist die Wärmestromdichte minimal - dies ist der sogenannte zweite kritische Punkt. Bei Wasser entspricht dieser kritische Punkt der Temperaturdifferenz
= 150
(Die Temperatur der erhitzten Oberfläche beträgt ungefähr 250 ) und der Wärmestromdichte
wird gleich sein
=

.

Bei weiterer Erhöhung der Temperaturdifferenz wird die gesamte Oberfläche von einem kontinuierlichen Dampffilm umhüllt, der Kontakt der Flüssigkeit mit der wärmeabgebenden Oberfläche verschwindet und es beginnt ein stabiles Filmregime, das bei sehr hoher Oberflächentemperatur eintritt. Die Dicke des Dampffilms beträgt Bruchteile eines Millimeters, und die Dampfbewegung darin hat bei senkrechten Flächen einen turbulenten Charakter. .

Die Wärmeübertragung von der beheizten Oberfläche auf die Flüssigkeit erfolgt dabei durch die Folie hindurch durch Konvektion und zu einem großen Teil durch Wärmestrahlung.

Aus der Formel lässt sich der Wärmeübergangskoeffizient für Filmsieden berechnen

, (10.1.3)

wobei sich die physikalischen Parameter des Mediums mit einem und zwei Hüben auf die Flüssigkeit bzw. den Dampf beziehen, während die Parameter des Dampfes bei seiner Durchschnittstemperatur gewählt werden sollten.

Bei einem stabilen Filmsiederegime ändert sich der Wärmeübergangskoeffizient praktisch nicht und die Wärmestromdichte ist proportional zur Temperaturdifferenz (Abb. 10.1).

Es sollte beachtet werden, dass das transiente Regime instabil ist. Beim Erreichen der Oberfläche wird die Überhitzung gleich
, steigt die Oberflächentemperatur in Sekundenbruchteilen um Hunderte von Grad an (erste Siedekrise), kommt es bei gleicher Wärmestromdichte zu einem „Sprung“ von der Blasensiedekurve zur Filmsiedelinie
(in Abb. 10.1 mit einem Pfeil dargestellt). Dies erklärt sich dadurch, dass der Wärmezufluss seinen Abfluss von der Oberfläche zur Flüssigkeit deutlich übersteigt.

Ein ähnliches Bild wird auch bei einer Abnahme der der Oberfläche zugeführten thermischen Energie beobachtet. In diesem Fall sinkt die Oberflächentemperatur und bei Überhitzung
Es kommt zu einer starken Abkühlung der Oberfläche und einem Wechsel der Regime - einem "Sprung" von der Filmsiedekurve zur Blasensiedelinie bei
(zweite Siedekrise).

Es wird normalerweise berücksichtigt, wenn das Kühlsystem im entwickelten Blasensiedemodus arbeitet, dh die Überhitzung der gekühlten Oberfläche nicht überschreitet
.

Reis. 10.1. Abhängigkeiten
und
wenn Wasser kocht