6.2. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ

Кипением называется процесс образования пара в жидкости, нагретой выше температуры насыще­ния. Физические условия процесса образования пара при нагреве жидкостей отличаются большой сложностью. Для процесса кипения необходимы три основных условия:

1) перегрев жидкости - нагрев жидкости до температуры насыщения (температуры кипения при

соответствующем давлении) и более;

наличие центров образования пузырьков пара на поверхности стенки или внутри объема жидко­сти, каковыми могут служить взвешенные частицы, неровности поверхности стенок, углубления, впа­дины, трещины, присущие в той или иной мере шероховатой поверхности твердой стенки;

постоянный подвод теплоты.

Различают два основных режима кипения: пузырьковое и пленочное.

Пузырьковое кипение имеет наибольшее распространение в практических условиях (паровые котлы, стальные экономайзеры).

Зарождаясь в отдельных точках обогреваемой поверхности, где работа сил адгезии (отрыва жидко­сти от поверхности) наименьшая, пузырьки пара вначале увеличиваются в размере, затем отрываются от стенки и поднимаются через слой жидкости в паровое пространство. Их рост и движение вызывают интенсивное перемешивание жидкости.

Если кипение происходит в неподвижной жидкости (кипение в большом объеме), то отрыв пузырей от стенки вызывается действием архимедовой силы. При интенсивном вынужденном течении жидкости отрыв пузырей происходит под воздействием динамического потока. Чем выше скорость потока, тем меньшими оказываются отрывные диаметры пузырей.

Если же основная масса жидкости будет недогрета до температуры насыщения, то пузыри пара, вы­ходя из перегретого пристенного слоя твердой поверхности, попадают в более «холодную» среду (жид­кость) и там конденсируются. Такой процесс называется поверхностным кипением.

При определенных условиях пузырьковый режим переходит в пленочный режим кипения, когда жидкость в основном не соприкасается с поверхностью нагрева, а отделена от стенки непрерывно вос­станавливающейся паровой пленкой. Такое перерождение режима носит резкий характер и является крайне нежелательным в практическом отношении. Пленочный режим кипения образуется по двум причинам: плохая смачиваемость поверхности нагрева и большая тепловая нагрузка поверхности нагре­ва.

На рис. 6.1 показан процесс кипения воды при атмосферном давлении, а также характер изменения коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока q в зависимости от температурного напора ЛТ, под которым понимается превышение температуры стенки Т; над температурой насыщения Тв.

В области АВ (рис. 6.1) кипение проявляется слабо, а значения коэффициента теплоотдачи опреде­ляются условиями свободной конвекции однофазной жидкости. На участке ВС начинается режим раз­витого пузырькового кипения, а коэффициент теплоотдачи, быстро возрастая, достигает своего пре­дельного значения, в результате чего множество отдельных пузырей пара начинают сливаться в сплош­ную паровую пленку, что приводит к пленочному режиму кипения. Пленка отрывается в виде больших паровых пузырей, а на ее месте возникает новая. Коэффициент теплоотдачи оказывается тем больше, чем больше центров парообразования, выше частота отрыва пузырей и когда температурный напор ЛТ = (Т; - Т) увеличивается.

q, а q•а

А

В критической точке С паровая пленка, обладающая меньшим коэффициентом теплопроводности, создает наибольшее термическое сопротивление между обогреваемой поверхностью и кипящей жидко­стью. Следствием этого является падение значений коэффициента теплоотдачи за критической точкой С, пока процесс формирования паровой пленки не стабилизируется. Максимальная тепловая нагрузка (в точке С), предшествующая резкому падению коэффициента теплоотдачи при переходе к пленочному кипению, называется критической тепловой нагрузкой q^,. Для воды в условиях атмосферного давления и естественной конвекции отмечаются следующие параметры

ЛТкр = 25 °С;    акр = 5,85 • 104, Вт/(м2 • К);        = 1,46 • 106 Вт/м2.

С повышением давления значения критического температурного напора уменьшаются. Для области пузырькового кипения воды в диапазоне давлений 1.40 кг/см2 (0,1.4 МПа) применимы зависимости

а = 3,0 q°'7p0'15;    а = 38,7 ЛТ 2,33р0'5, (6.4)

где q ир следует подставлять соответственно в Вт/м2 и кг/см2.

Знание критических параметров жидкости при кипении имеет большое практическое значение, ибо превышение критического температурного напора приводит к резкому снижению производительности кипятильных установок. Когда же заданным является тепловой поток и оказывается более критического значения, происходит резкое повышение температуры обогреваемой стенки до недопустимого предела. С увеличением давления критическое значение теплового потока вначале заметно возрастает, затем па­дает и при некотором критическом давлении становится равным нулю.

При кипении жидкости в ограниченном объеме, где имеет место вынужденное движение жидко­сти (например, в трубах), коэффициент теплоотдачи может быть подсчитан по следующим формулам:

где а - коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах; ак - коэф­фициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме; аю - коэффициент тепло­отдачи при турбулентном движении однофазной жидкости в трубах.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я