Теплоотдача при кипении жидкости.

Из термодинамики известно, что температура насыщения t_нпара, образующегося из кипящей жидкости, определяется давлением, под которым находится эта жидкость. Опыт показывает, что температура кипящей жидкости всегда несколько выше t_н, например при атмосферном давлении температура кипящей воды составляет t_н + (0,4 — 0,8 ^ОС). Она остается почти неизменной в направлении от свободного уровня к нагреваемой поверхности стенки сосуда (рис. 14.9, а) и лишь в слое толщиной 2— 5 мм у самой стенки резко возрастает. Температура частиц жидкости, соприкасающихся непосредственно с поверхностью нагрева, равна температуре стенки t_ст,т.е. в прилегающем к стенке слое жидкость перегрета относительно температуры насыщения на величину .Чем выше будет поверхностная плотность теплового потока q, называемая тепловой нагрузкой поверхности, тем больше температурный напор .

Изучение процесса кипения жидкости показывает, что пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности стенки вокруг так называемых центров парообразования, которыми служат различ­ные неровности поверхности, а также пузырьки газов, адсорбированных ею. С течением времени пузырьки растут и, достигнув отрывного диаметра, определяемого в основном взаимодействием сил тяжести и по­верхностного натяжения, отделяются от поверхности нагрева.

Образование и отрыв пузырьков пара от поверхности стенки в зна­чительной степени зависят от того, смачивает кипящая жидкость по­верхность стенки или не смачивает. В первом случае пузырьки пара имеют тонкую ножку и легко отрываются от поверхности; в несмачиваемой жидкости пар скапливается в пузырьки с широкой ножкой, трудно отрывающиеся от стенки.

Рис. 6.1. Характер изменения теплофизических характеристик процесса кипения воды:

характеристика изменения температуры кипящей воды при
(q=22450 Вт/м²; t_ст = 109,1^ОС) при подогреве её снизу (а) и зависимость плотности теплового потока и коэффициента теплопередачи при кипении воды (p = 0,1 МПа) от температурного напора (б)

Поскольку температура кипящей жидкости выше t_н, между пузырьком пара и жидкостью происходит интенсивный теплообмен, который приводит к росту пузырька пара после его отрыва от поверхности. При этом в зависимости от степени перегрева жидкости и продолжительности подъема пузырька объем его увеличивается в десятки раз.

В процессе движения пузырьков пара жидкость сильно перемеши­вается и усиливается интенсивность теплообмена. Частота отрыва пузырьков и число действующих центров парообразования растут с увеличением температуры нагреваемой стенки, так как на процесс парообразования начинают влиять более мелкие неровности поверх­ности, что повышает теплоотдачу от нагреваемой стенки к жидкости.

Однако увеличение не всегда сопровождается повышением ин­тенсивности теплообмена. Действительно, рост действующих центров парообразования приводит к тому, что расположенные рядом пузырь­ки пара сливаются в одну общую пленку, отделяющую жидкость от поверхности нагрева. Вследствие сравнительно малой теплопроводности пара интенсивность теплоотдачи при этом резко падает.

На рис. 6.1, б показана установленная опытом зависимость qи от температурного напора для случая кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении. В области между точками А и В, соот­ветствующей 5 °С и q= 5600 Вт/м², значение коэффициента теплоотдачи невелико и определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости. При дальнейшем повышении плотность теп­лового потока быстро возрастает и при _крит = 25 °С доходит до свое­го критического значения q _крит = 1,45 • 10⁶ Вт/м² (точка D). В этой области (между точками В и С) вследствие роста и движения пузырьков пара коэффициент теплоотдачи также резко увеличивается и дохо­дит до своего максимального значения 5,85 • 10⁴ Вт/ (м² • К) у точки С, в которой при дальнейшем повышении происходит изменение режима кипения. Пузырьковая форма парообразования (называемая также ядерной или ячейковой) переходит в пленочную, значение резко падает, поскольку образовавшаяся пленка пара отделяет жид­кость от нагретой стенки.

Эта пленка имеет неустойчивый характер. Она непрерывно разрывается на части и удаляется в виде больших пузырей, а на ее месте возникает новая.

Знание критических значений q_кр и _кр имеет большое практическое значение, ибо при выборе оптимального режима работы теплообменных аппаратов всегда нужно ориентироваться на пузырьковый режим кипения.

В противном случае будут уменьшаться производи­тельность и экономичность теплообменника, а также перегреваться его металлические стенки, что может привести к выходу аппарата из строя.

Исследования влияния давления на значение q_кр показали, что для многих жидкостей с увеличением давления q_кр сначала резко возрастает, достигает некоторого максимума, затем падает и при критичес­ком давлении становится равным нулю. В частности, для воды будет равно 4,65 • 10⁶ Вт/м² при давлении p 8 МПа.

В результате обобщения большого числа опытных данных при кипении различных жидкостей в условиях естественной конвекции (вклю­чая жидкие металлы) Д. А. Лабунцовым в критериальной форме была получена зависимость

(6.1)

. (6.1)

Значения с и n при кипении жидкостей составляют:

при Re 0,01, С = 0,0625, n = 0,5;

при Re > 0,01, С = 0,125, n = 0,65.

(6.2)

Для практических расчетов удобно применять эмпирические размерные зависимости. Например, для воды в диапазоне давлений от 0,1 до 5 МПа эти зависимости имеют вид:

(6.3)

(6.2)

(6.3)

где q, Вт/м², р, МПа • 10^-1; , Вт/(м² • К).

Дата добавления: 2015-08-03