Что такое пузырьковое кипение

ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ КИПЕНИЯ

А. Режимы кипения

Кипением называется процесс интенсивного парообразования на греющей поверхности или во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько превышающей ее, с образованием паровых пузырей. В процессе кипения поглощается теплота парообразования, поэтому процесс кипения всегда связан с подводом теплоты к кипящей системе.

Чаще всего кипение происходит на твердой поверхности и реже в объеме жидкости (при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения).

Механизм теплообмена в кипящей жидкости отличается от теплообмена однофазной жидкости, поскольку при кипении паровыми пузырями переносится дополнительное количество теплоты и массы вещества, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Для возникновения процесса кипения необходимы два условия:

1) перегрев жидкости относительно температуры насыщения ;

2) наличие центров парообразования.

Различают два режима кипения:

Режим кипения, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся газовых пузырей называется пузырьковым. С увеличением теплового потока отдельные пузырьки сливаются, образуя сплошной паровой слой, который периодически прорывается сквозь слой жидкости.

Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, которая обволакивает эту поверхность и отделяет ее от жидкости, называется пленочным.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме кипения меньше, чем при пузырьковом.

Б. Минимальный радиус пузырька

Стадии процесса парообразования:

1) зарождение пузырьков на поверхности нагрева ( );

2) рост пузырьков и их отрыв при диаметре ;

3) движение пузырьков в объеме жидкости.

Минимальный размер парового пузырька в момент зарождения называется критическим радиусом . Этот размер соответствует размеру неровностей на поверхности, которые являются центрами парообразования.

Критический радиус определяется из условия термодинамического равновесия фаз.

Для возникновения и существования парового пузырька необходимо, чтобы сила давления пара Р₁ внутри пузырька была не меньше суммы всех внешних сил, действующих на него, т. е силы давления жидкости и силы поверхностного натяжения. После несложных преобразований можно получить, что

,

где – теплота парообразования, ;

– температура насыщения, ;

Из формулы видно, что при увеличении степени перегрева или давления критический радиус уменьшается и увеличивается общее число центров парообразования. В результате происходит интенсивное перемешивание жидкости в пограничном слое и увеличение теплоотдачи.

В. Отрывной диаметр пузырька

Паровой пузырек, зародившись на стенке, растет до некоторого размера – диаметра , при котором он отрывается. Этот размер называется отрывным диаметром.

В статистических условиях отрывной диаметр парового пузырька определяется из условий равновесия между подъемной силой, которая стремится оторвать пузырек от поверхности и силой поверхностного натяжения, удерживающей его на твердой поверхности.

В момент отрыва пузырек обычно деформирован, и форма его отклоняется от сферической. Поэтому под отрывным диаметром понимают эквивалентный диаметр .

Схема роста парового пузыря

q 90 – жидкость не смачивает поверхность.

.

Из формулы следует: чем хуже смачиваемость (чем больше q), тем больше отрывной диаметр . В этом случае увеличивается доля поверхности нагрева, экранированная основаниями пузырьков, жидкость как бы оттесняется от поверхности и интенсивность теплоотдачи уменьшается.

Г. Кривая кипения

Кривая кипения – это кривая, показывающая зависимость теплового потока от степени перегрева жидкости.

,

где .

Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока от перегрева жидкости.

Кривая кипения имеет шесть характерных областей.

1) конвективная область – область, соответствующая малым перегревам жидкости ;

2) область неустойчивого кипения – область, которая характеризуется небольшим количеством центров парообразования ;

3) область развитого пузырькового кипения;

4) переходная область – область, в которой тепловой поток постепенно снижается по мере вытеснения пузырькового кипения пленочным ;

5) устойчивое пленочное кипение, лучистый перенос теплоты относительно невелик;

6) пленочное кипение, лучистый перенос теплоты приобретает существенное значение.

При кипении в условиях пониженных давлений режим конвективного кипения может затягиваться до высоких перегревов жидкости (линия А-Б).

А при кипении несмачивающих жидкостей пленочный режим может наступить при малых перегревах (линия В-Г).

Д. Влияние некоторых факторов на интенсивность теплоотдачи при кипении

1. Влияние недогрева жидкости.

Кипение с недогревом (поверхностным кипением) называется кипение у поверхности теплообмена, при котором вдали от нее жидкость недогрета до температуры насыщения.

Чем больше недогрев жидкости, тем меньше область, охваченная кипением. Образующиеся на поверхности пузырьки сразу конденсируются, и процесс кипения ограничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости у поверхности.

В этом случае наблюдается поверхностное (конвективное) кипение.

Двухфазное состояние – лишь в пристенной области.

Коэффициент теплоотдачи меньше, чем при кипении перегретой жидкости, но более высокий по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

2. Влияние давления и теплофизических свойств

а. Влияние давления

При увеличении давления уменьшается поверхностное натяжение и уменьшается отрывной диаметр пузырьков (согласно , интенсивность теплоотдачи растет).

б. Влияние коэффициента теплопроводности жидкости

С увеличением коэффициента теплопроводности жидкости теплоотдача повышается, так как основной поток теплоты от стенки воспринимается жидкой, а не паровой фазой. Уменьшается термическое сопротивление микрослоя жидкости, находящейся под паровым пузырьком.

в. Влияние вязкости жидкости

С увеличением вязкости жидкости теплоотдача падает, так как уменьшается интенсивность перемешивания жидкости, обусловленная парообразованием.

Высота слоя жидкости над поверхностью теплообмена может оказывать влияние на теплоотдачу при небольших их уровнях, соизмеримых с размерами паровых пузырьков.

КРИЗИСЫ КИПЕНИЯ

А. Первый кризис кипения

Кризисами теплоотдачи при кипении жидкости называются процессы, связанные с коренным изменением механизма теплоотдачи.

Кризисы, которые наблюдаются в начале перехода пузырькового кипения в пленочное или в начале обратного перехода от пленочного кипения к пузырьковому – называются кризисами рода.

Первый кризис кипения наблюдается в начале перехода от пузырькового к пленочному кипению. Этот переход носит черты кризиса. В момент смены режимов кипения наблюдаются внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности.

После даже при малом увеличении тепловой нагрузки слой паровых пузырьков превращается в сплошную паровую пленку, которая оттесняет жидкость от поверхности нагрева. Механизм теплоотдачи резко меняется, т.е. возникает кризис.

Максимальная тепловая нагрузка при пузырьковом кипении называется первой критической плотностью теплового потока и обозначается .

Критическая плотность теплового потока при кипении жидкости в большом объеме зависит от рода кипящей жидкости, давления, состояния поверхности, условий ее смачивания, а также наличии в жидкости примесей и поверхностно-активных добавок.

Температурный напор в момент достижения (т. е напор, соответствующий точке максимума на кривой кипения) называется критическим температурным напором .

Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения:

.

Критические тепловые потоки и температурные напоры (первый кризис кипения при атмосферном давлении).

120015010030 25-3011112

В основу определения первой критической плотности теплового потока положена гидродинамическая теория кризисов, предложенная С.С. Кутателадзе, согласно которой кризис наблюдается в результате потери динамической устойчивости двухфазного потока вследствие того, что пар отбрасывает жидкость от поверхности теплообмена.

Кутателадзе С.С. получил расчетное уравнение для :

; .

Формула описывает опытные данные для неметаллических теплоносителей в условиях большого объема при свободной конвекции жидкости с малой вязкостью.

— критерий устойчивости.

Он характеризует меру отношения энергии динамического потока пара к энергии, необходимой для ускорения частиц жидкости, отбрасываемых от стенки, до скорости основного потока. При вынужденной конвекции его величина зависит от скорости.

При кипении жидкости в условиях вынужденного движения внутри труб критический тепловой поток зависит еще от скорости и паросодержания.

Б. Второй кризис кипения

Когда тепловая нагрузка на поверхности нагрева задана и не зависит от условий теплообмена, обратный переход от пленочного режима кипения к пузырьковому происходит при минимальной тепловой нагрузки _.

Этот переход также носит кризисный характер: паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности скачкообразно снижается.

Минимальная тепловая нагрузка при пленочном режиме кипения жидкости называется второй критической плотностью теплового потока и обозначается . А соответствующий ей температурный напор, отвечающий точке минимума на кривой кипения, есть .

Значение при кипении насыщенной жидкости в большом объеме существенно меньше, чем .

,

где — эмпирический коэффициент.

При свободной конвекции: .

Вторые критические нагрузки зависят от рода жидкости, размеров поверхности, давления, шероховатости поверхности и др.

Для воды при атмосферном давлении (кипение на поверхности горизонтальных труб).

В зависимости от диаметра труб изменяется по закону:

.

Критическая приведенная скорость парообразования пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей пара:

.

ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник

Режимы кипения жидкостей – пузырьковое и пленочное кипение

Кипением называется процесс парообразования в толще жидкости. Кипение начинается тогда, когда температура внутри жидкости оказывается выше температуры насыщения (кипения) при данном давлении. Если в жидкость погружена некоторая поверхность нагрева, температура которой выше температуры насыщения при данном давлении, то на ней возникает процесс парообразования. Величина перегрева жидкости в момент вскипания по сравнению с температурой насыщения при данном давлении над плоскостью зависит от наличия тех или иных потенциальных центров парообразования (микровпадины, микропузырьки газа, искусственные неоднородности на поверхности нагрева и т.п.). Эти эффекты имеют значение при малых плотностях теплового потока. Если вся жидкость значительно перегрета против температуры насыщения (например, в результате сброса давления), то паровые пузыри образуются по всей ее толще – жидкость вскипает во всем занимаемом ею объеме.

В зависимости от плотности теплового потока, подводимого к жидкости от поверхности нагрева, на последней возникают отдельные паровые пузыри (пузырьковое кипение) или образуется сплошной слой пара (пленочное кипение).

Пузырьковое кипение

При пузырьковом кипении жидкость непосредственно омывает поверхность нагрева, причем ее пограничный слой интенсивно разрушается (турбулизуется) возникающими паровыми пузырями. Кроме того, всплывающие пузыри увлекают из пристенного слоя в ядро потока присоединенную массу перегретой жидкости, что создает интенсивный перенос теплоты от поверхности нагрева к общей массе кипящей жидкости. Следствием этого является высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении, возрастающая с увеличением числа действующих центров парообразования и количества образующегося пара.

Пленочное кипение

При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара, с внешней стороны которого время от времени отрываются и всплывают крупные пузыри. Вследствие относительно малой теплопроводности парового слоя интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении существенно меньше, чем при пузырьковом.

Пленочное кипение жидкости

Условия возникновения и перехода от одного режима к другому

Возникновение того или иного вида кипения определяется плотностью теплового потока у поверхности нагрева, ее физическими свойствами (в частности смачиваемостью), физическими свойствами жидкости и гидродинамическим режимом потока в целом. Таким образом приходится говорить о существовании двух критических плотностях теплового потока. Первая критическая плотность теплового потока – при которой происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, вторая – при которой происходит разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения. В области значений плотности теплового потока, лежащих между двумя этими критическими значениями возможно устойчивое существование обоих режимов кипения или даже их длительное совместное сосуществование на разных частях одной и той же поверхности нагрева.

Паровая пленка обычно возникает в отдельных местах поверхности нагрева при достижении значений теплового потока выше критического и далее с конечной скоростью распространяется по всей поверхности нагрева. Аналогично при снижении теплового потока до значений меньше критического, происходят локальные разрушения пленки с последующим распространением пузырькового кипения на всю поверхность нагрева. На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, процесс кипения имеет нестабильный характер, а интенсивность теплообмена колеблется между условиями конвекции однофазного потока и развитого пузырькового кипения. При этом возможен непосредственный переход от однофазной конвекции жидкости к режиму пленочного кипения.

Применение в теплообменной технике

Изучение условий, при которых возникают различные режимы кипения необходимо для расчета теплообменников, используемых в качестве испарителей. При появлении пленочного режима кипения эффективность работы испарителя падает и температура охлаждаемой среды на выходе из теплообменника оказывается выше заданной. Поэтому при расчете и подборе таких аппаратов очень важным является определение плотности тепловых потоков между двумя средами.

Источник

Режимы кипения жидкости.

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости.

Режимы кипения жидкости.

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

При кипении на твердой поверхности образования паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т.п.). Этот вид кипения в основном и рассматривается далее.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

На рис. 3.1. схематически показаны режимы кипения жидкости в неограниченном объеме. При пузырьковом режиме кипения (рис. 3.1,а) по мере увеличения температуры поверхности нагрева t_c и соответственно температурного напора число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме.

При повышении температурного напора Δt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

, (3-1)

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

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Δt растет не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимального значения (Рис. 3.2), а при дальнейшем повышении Δt начинает уменьшаться.

Рисунок 3.2 – Зависимость плотности теплового потока q

от температурного напора Δt при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении: 1- подогрев до температуры насыщения; 2 – пузырьковый режим; 3 – переходный режим; 4 – пленочный режим.

Дать участки 1 2 3 и 4

При бóльших Δt наступает переходный режим кипения (рис. 3.1, б). Он характеризуется тем, что как на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока (участок 3 на Рис. 3.2) и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения (рис. 3.1, в). При этом перенос теплоты от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая (участок 4 на рис. 3.2). Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Это соответствует на рис. 3.2 точке q_кр2, называемой второй критической плотностью теплового потока.При атмосферном давлении для воды момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором ≈150 °С, т. е. температура поверхности t_c составляет примерно 250°С. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет теплообмена излучением.

Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если, например, раскаленное массивное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вода закипает, вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), вода начинает периодически смачивать поверхность, и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение). В этом примере кипение протекает в нестационарных условиях во времени.

На рис. 3.3 показана визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке, находящейся в воде.

На практике часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для тепловых электрических нагревателей, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и, приближенно, в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой. В условиях q = const температура поверхности t_c и соответственно температурный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает ряд важных особенностей. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 3.2, и процесс развивается так же, как это было описано выше. Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока q_кр1. Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой q_кр1, которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q— q_кр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности. На рис. 3.2 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке q_кр1. Однако обычно это сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом).

Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 3.2). Лишь при достижении q_кр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева. Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис. 3.2 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при q = q_кр2.

Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q, подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока q_кр1 и q_кр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб. Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена.

Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), описанные выше условия остаются в силе, но вместе с этим появляется ряд новых особенностей.

Вертикальная труба. Труба или канал представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходят непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Соответственно этому изменяется и гидродинамическая структура потока, как по длине, так и по поперечному сечению трубы. Соответственно изменяется и теплоотдача.

Обычные жидкости: вода, спирты, бензол, ацетон и др.— смачивают чистые металлические поверхности нагрева. Смачивающая способность воды значительно снижается, если металлическая поверхность покрыта жирной пленкой. Примером несмачивающей жидкости может служить ртуть (θ ≈ 140°).

При кипении обычных жидкостей на металлических поверхностях нагрева средние отрывные диаметры пузырьков D₀ при атмосферном давлении составляют примерно 1—2 мм. При увеличении давления значения D₀ уменьшаются. На рис. 3.8 представлены значения D₀ при кипении воды в большом объеме на горизонтальной поверхности [32, 119] в диапазоне давлений (0,2…100)·10 5 Па. Резкое увеличение D₀ при снижении давления ниже атмосферного объясняется возрастанием влияния силы инерции, препятствующей отрыву пузырьков.

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

Коэффициент теплоотдачи α при кипении принято относить к температурному напору

(3-4)

Экспериментальные данные показывают, что интенсивность теплоотдачи растет при увеличении плотности теплового потока и давления. Эта закономерность характерна для любых жидкостей, смачивающих поверхность нагрева.

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

Обычно на практике перечисленные выше поверхностные эффекты проявляются одновременно. Это затрудняет точное определение теплоотдачи. Опыты показывают, что при фиксированных q и р значения α из-за различия в поверхностных условиях могут ощутимо изменяться.

Теплоотдача на погруженных поверхностях при развитом кипении не зависит от формы и ориентации теплоотдающей поверхности (если реализованы условия беспрепятственного отвода пузырьков пара).

Для расчета теплоотдачи могут использоваться различные эмпирические зависимости.

Для воды в диапазоне давлений примерно от 1 до 40 бар (р/р_кр≤0,18) получены зависимости

в которые q и p следует подставлять соответственно в ваттах на квадратный метр и в барах.

Приведенная ниже зависимость обобщает большое число опытных данных по теплоотдаче при кипении различных жидкостей (включая жидкие металлы):

( 3-7 )

В области весьма низких давлений (p_s 5 Па) процесс кипения приобретает ряд новых особенностей. Основные из них состоят в появлении нерегулярного, пульсирующего во времени процесса вскипания, в возникновении значительных перегревов жидкости и появления звуковых эффектов (стуков). Интенсивность средней теплоотдачи при этом заметно снижается.

Своеобразные закономерности проявляются при кипении жидкости в тонких пленках (толщиной менее 1 мм), создаваемых на поверхности за счет ее орошения потоком капель [106, 110].

В целом приведенные данные показывают, что для процесса пузырькового кипения характерны высокая интенсивность теплоотдачи и возможность отвода с единицы поверхности весьма значительных потоков теплоты. Последние величины ограничены значением первой критической плотности теплового потока q_кр1.

Опыты показывают, что величины q_кр1 при кипении жидкости в большом объеме практически не зависят от размера поверхности, если обеспечены условия для свободного отвода пара от поверхности нагрева. Когда отвод пара затруднен (например, горизонтальная плита, обращенная греющей стороной вниз), значения q_кр1 существенно уменьшаются. То же наблюдается в случае кипения жидкости, которая не смачивает поверхность нагрева. Улучшение условий смачивания приводит к увеличению критических тепловых потоков [3]. В ряде опытов отмечалось повышение критических потоков при увеличении шероховатости поверхности, а также при выпадении налетов и накипи на поверхности.

При кипении жидкости внутри труб и каналов в условиях вынужденного движения интенсивность отвода пара от поверхности и соответственно величина q_кр1 зависят от скорости движения и характера турбулентного перемешивания в потоке. Большое влияние в этих условиях на q_кр1 оказывает также паросодержание самого потока. Опыты показывают, что при увеличении паросодержания значения q_кр1 уменьшаются. При кипении с недогревом вследствие конденсации паровых пузырьков около теплоотдающей поверхности благоприятные условия для подвода жидкости к поверхности нагрева сохраняются вплоть до очень высоких тепловых потоков. Поэтому значения q_кр1 при кипении с недогревом обычно оказываются достаточно большими, причем с увеличением степени недогрева (определяемого величиной где t_ж — средняя температура жидкости в данном сечении) q_кр1 увеличивается.

Источник