Теплоотдача при кипении жидкостей. Теплообмен при кипении жидкостей

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 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;

2) 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;

3) 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.

Паровая пленка, обладающая меньшим коэффициентом теплопровод­ности, создает наибольшее термическое сопротивление между обогревае­мой поверхностью и кипящей жидкостью. Следствием этого является паде­ние значений коэффициента теплоотдачи, а максимальная тепловая нагруз­ка, предшествующая резкому падению коэффициента теплоотдачи при пе­реходе к пленочному кипению, называется критической тепловой нагруз­кой дкр. Для воды в условиях атмосферного давления и естественной кон­векции отмечаются следующие параметры

ДТкр = 25 °С; акр = 5,85 104 Вт/(м2 К); дкр = 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 q0Jp°,15; а = 38,7 ДТ 2>33/>5,

Где q и p 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. Большие значения коэффициентов теплоотдачи а, Вт/(м2 К) при кипении (500.5000) и конденсации (4000.20 000) воды позволили весьма эффек­тивно использовать эти процессы в промышленных устройствах.

Как грамотно использовать аутсорсинг? Более 2/3 компаний в мире прибегают к аутсорсингу в той или иной форме согласно последним исследованиям. Термин «аутсорсинг» происходит от английских out - «вне» и source …

1. Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором передача теплоты осуществляется от одного - горячего теплоносителя к другому - холодному. По принципу действия теплообменные аппараты бывают: рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативным …

1. Использование теплоты пара вторичного вскипания конденсата. Энергосбережение тепловой энергии обеспечивается за счет использо­вания теплоты от паров вторичного вскипания конденсата или от проду­вочной воды из паровых котельных агрегатов. При конденсации …

Библиографическое описание:

Нестеров А.К. Теплообмен при конденсации и кипении [Электронный ресурс] // Образовательная энциклопедия сайт

Хотя человек давно знаком с физическими процессами, в ходе которых происходят фазовые переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое, они остаются предметом внимания ученых исследований, поскольку являются достаточно сложными и требуют научно-обоснованного подхода к изучению. Рассмотрим некоторые общие закономерности теплообмена при процессах конденсации и кипения веществ.

Конденсация и кипение

Процессы конденсации и кипения являются взаимно обратными процессами, отражая фазовый переход вещества из газообразного состояния в жидкость и наоборот.

Основными теоретико-методологическими вопросами, которые решаются в рамках данной области, являются возможности прогнозировать их протекание в прикладных целях.

Основными прикладными направлениями, для которых важны знания о процессах конденсации и кипения, являются решение исследовательских и практических задач в сфере естествознания, применение в метрологии, проектирование производственных комплексов и оборудования в химической, металлургической промышленности, а также других отраслях национальной экономической системы.

Молекулярно-кинетическая теория опирается на определенные представления о строении вещества и оперирует моделями вещества, с помощью которых устанавливаются законы поведения макроскопических систем, состоящих из бесконечно большого числа отдельных частиц. "Молекулярно-кинетическая теория – это учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ" . Следует отметить, что молекулярно-кинетическая теория описывает поведение различных систем на основе вероятностных моделей, чтобы установить взаимозависимость между макроскопическими величинами и микроскопическими характеристиками частиц. К макроскопическим величинам относятся, например, температура, объем, давление и др., а к микроскопическим характеристикам частиц – энергия, масса, импульс и др.

Следует отметить, что в рамках данной области естествознания, термодинамика не оперирует молекулярной структурой вещества и является наукой феноменологической. Термодинамика формирует выводы о свойствах вещества на основе сформированных опытным путем законов и оперирует только макроскопическими величинами, которые вводятся на основе физического эксперимента.

Таким образом, термодинамический и статистический подходы взаимно дополняют друг друга, поскольку только комплексное использование в научных изысканиях термодинамики и молекулярно-кинетической теории позволяет сформировать наиболее полное представление о свойствах систем, состоящих из бесконечно большого числа отдельных частиц.

В зависимости от условий и их изменения любой вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное. Процесс перехода из одного состояния в другое является фазовым переходом. Реальные газы, например, азот, водород, кислород и др., могут превратиться в жидкость при соблюдении определенных условий. Превращение газа в жидкость может наблюдаться только при температурах, которые ниже критической температуры (Т кр). "Например, для воды критическая температура – 647,3 К, азота – 126 К, кислорода – 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов" .

Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное называется испарением. При этом процессе с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т.е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Фазовый переход, при котором молекулы пара возвращаются в жидкое состояние, называется конденсацией и является обратным процессу испарения.

"Процесс кипения жидкости происходит при температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению" . Поскольку в жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа, испарение может происходить в объеме жидкости в случае, если давление насыщенного пара жидкости равно давлению газа в пузырьках или больше него. Вследствие этого жидкость будет испаряться внутрь пузырьков, что приведет к расширению пузырьков газа, которые будут всплывать на поверхность.

Теплообмен при конденсация паров газа

Жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, которое означает, что в закрытом сосуде число вылетающих с поверхности жидкости молекул, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости, равно числу молекул пара, которые возвращаются в жидкое состояние. Динамическое равновесие означает, что скорость процессов испарения и конденсации примерно одинаковы. Пары газа, которые находятся в равновесии с жидкостью, называются насыщенным газом.

Число молекул, которые превращаются в жидкость, зависит от концентрации молекул пара газа и скорости их теплового движения, зависящей от температуры паров газа. Следовательно, в состоянии динамического равновесия температура вещества в жидком и газообразном состоянии является равновесной. "Давление насыщенного пара вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема" . Этим объясняется, что в двухфазной системе изотермы реальных газов содержат горизонтальные участки, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Изотермы реального газа

На рисунке цифрами отмечено:

I – жидкое состояние вещества; II – двухфазная система "жидкость + насыщенный пар"; III – газообразное состояние вещества.

При увеличении температуры (Т) возрастает давление и плотность насыщенного пара вещества, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При условии Т = Т кр плотности пара и жидкости вещества становятся одинаковыми. При условии Т > Т кр физические отличия жидкого и газообразного состояния вещества нивелируются. Если при условии Т < Т кр изотермически сжимать ненасыщенный пар, то давление пара будет увеличиваться до тех пор, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Дальнейшее уменьшение объема приведет к тому, что на дне сосуда образуется жидкость и установится динамическое равновесие, при уменьшении объема все большая часть паров газа будет конденсироваться, при этом давление меняться не будет, когда все пары газа возвратятся в жидкое состояние, давление резко увеличивается при дальнейшем сокращении объема по причине малой сжимаемости жидкости. При этом процесс преобразования вещества из паров газа в жидкость может произойти миновав двухфазную область, как показывает линия ABC.

Давление насыщенного пара с ростом температуры увеличивается очень быстро и при постоянной концентрации молекул возрастает прямо пропорционально росту температуры газа. При этом рост температуры обуславливает не только увеличение средней кинетической энергии молекул, но и их концентрации, поэтому давление насыщенного пара увеличивается быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул вещества.

С точки зрения естественнонаучного содержания,

Процесс теплоотдачи при конденсации насыщенного пара является одновременным переносом теплоты и массы.

Перенос теплоты определяется теплотой парообразования, масса – количеством сконденсированного пара. При процессе конденсации молекулы пара находятся в состоянии турбулентного потока, вихри которого переносят молекулы вещества в газообразном состоянии к охлаждаемой стенке сосуда, на которой они конденсируются. Следствием является резкое уменьшение объема пара, в результате создается собственное поступательное движение молекул вещества в газообразном состоянии к стенке сосуда. Образовавшийся на стенке сосуда конденсат стекает по ней, а к стенке подходит собственный пар. При этом в научно-прикладном аспекте процесс переноса теплоты и основной массы вещества в газообразном состоянии к стенке сосуда происходит настолько быстро, что степень турбулентности потока молекул вещества в газообразном состоянии не оказывается сколько-нибудь значимого влияния на сам процесс конденсации.

Процесс конденсации неразрывно связан с теплообменом, так как при конденсации паров газа выделяется теплота фазового перехода, поэтому справедливы два условия: "температура стенки сосуда должна быть ниже температуры насыщения при данном давлении и необходим отвод теплоты от поверхности, на которой образуется конденсат" . При пленочной конденсации конденсат стекает с поверхности теплообмена в виде простой пленки, для этого должно соблюдаться условие смачивания жидкостью данной поверхности. В случае, если поверхность теплообмена не смачивается или, например, находится в загрязненном состоянии, то будет иметь место конденсация капельного типа, когда конденсат будет формироваться в виде капель разного размера. Наконец, смешанная конденсация подразумевает, что на различных участках поверхности теплообмена может проходить процесс конденсации пленочного и капельного типа одновременно.

Следует отметить, что для разных типов процесса конденсации интенсивность теплообмена отличается следующим образом:

• интенсивность теплообмена при конденсации пленочного типа будет ниже, чем при конденсации капельного типа;
• интенсивность теплообмена при конденсации смешанного типа будет зависеть от характера и соотношения типов конденсации, находясь в пределах минимального и максимального значений для соответствующих типов конденсации .

В этой связи в практике проектирования и применения теплообменных устройств превалирует пленочная конденсация из-за того, что интенсивность процесса теплоотдачи при конденсации пленочного типа ниже капельного из-за термического сопротивления пленки конденсата, тогда как организация процесса капительной конденсации в устройствах теплообмена дороже организации процесса пленочной конденсации.

Рисунок 2 – Термическое сопротивление пленки определяется механизмом переноса теплоты, зависящим от режима течения конденсата

В процессе конденсации процесс теплообмена при пленочной конденсации не является лимитирующем, при конденсации пленочного типа вещества в газообразном состоянии термическое сопротивление сосредоточено в пленке конденсата.

Теплообмен при кипении жидкости

В закрытом сосуде процесс кипения жидкости происходить не может, так как при каждом значении температуры устанавливается равновесие вещества в жидком и газообразном состоянии, при этом пары газа вещества являются насыщенным паром. По кривой равновесия давления и температуры р0 (Т) можно определять температуру кипения жидкости при разных давлениях. При этом необходимо отметить, что из газообразного и жидкого состояния любое вещество может перейти в твердое состояние. Термодинамическое равновесие между двумя фазами вещества может сохраняться при заданной температуре и давлении в системе.

Зависимость равновесного давления от температуры представляет собой кривую фазового равновесия. На рисунке 3 изображена фазовая диаграмма вещества, кривые равновесия разделяют систему координат на отдельные области, соответствующие твердому, жидкому и газообразному состоянию вещества.

Рисунок 3 – Фазовая диаграмма вещества

На рисунке цифрами обозначено:

I – твердое состояние вещества, II – жидкое состояние вещества, III – газообразное состояние вещества.

Кривая 0Т соответствует равновесию между твердым и газообразным состоянием вещества и называется кривой сублимации. Кривая ТК соответствует равновесию между жидким и газообразным состоянием вещества, обрываясь в критической точке К, и называется кривой испарения. Кривая ТМ соответствует равновесию между твердым и жидким состоянием вещества и называется кривой плавления. В точке тройной точке Т могут сосуществовать в равновесии все три фазы.

"Кипение соответствует процессу интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или выше этой температуры" . В ходе данного процесса поглощается теплота фазового перехода, следовательно, чтобы кипение было осуществимо, требуется обеспечивать нагрев вещества, иными словами, подводить теплоту. Существует поверхностное и объемное кипение, причем последнее встречается достаточно редко. При объемном кипении, например, в результате резкого уменьшения давления, наблюдается значительный перегрев жидкости, а температура вещества превышает температуру насыщения при таком давлении. Поверхностное кипение происходит вследствие подвода теплоты к жидкости от твердой поверхности, которая соприкасается с веществом, находящимся в жидком состоянии.

При кипении высокая интенсивность теплообмена и сам процесс кипения широко используется на практике и производстве: выпаривание, перегонка, испарители, кипячение, преобразование веществ для изменения свойств и т.д. При этом для возникновения кипения необходимо, чтобы температура жидкости была больше температуры насыщения, т.е. соблюдалось бы условие Т жидк > Т насыщ, а также наличие центров парообразования. Чтобы теплота передавалась от стенки к кипящей жидкости, необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения: ∆Т = Т ст – Т кип

На рисунке 4 показана зависимость удельной тепловой нагрузки q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора ∆Т.

Рисунок 4 – Зависимость удельной тепловой нагрузки q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора ∆Т

В области АВ перегрев еще мал, активных центров парообразования недостаточно, а теплообмен определяется законами свободной конвекции около стенки α ~ ∆Т1.3. В области ВС перегрев выше, становится больше центров парообразования, теплообмен резко увеличивается, при этом наблюдается турбулизация пограничного слоя около стенки. Эта область называется пузырчатым кипением. Схема процесса теплоотдачи при пузырчатом кипении показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема процесса теплоотдачи при пузырчатом кипении

Часть жидкости испаряется, образуя таким способом пузырьки вещества в газообразном состоянии. Пузырьки вещества увлекают значительные массы жидкости, когда они поднимаются и увеличиваются в объеме, на место увлеченной и испарившейся жидкости поступает свежие потоки жидкости, за счет чего происходит циркуляция жидкости у поверхности нагрева, что приводит к ускорению процесса теплоотдачи. В этот момент α ~ ∆Т 2/3 . Высокий уровень интенсивности теплообмена при пузырчатом режиме кипения обусловлен степенью турбализации пограничного слоя у поверхности, которая пропорциональна числу и объему пузырьков, которые формируются в микровпадинах на поверхности нагрева.

В точке С коэффициент теплоотдачи достигает своего максимального значения, что соответствует максимальному значению удельной тепловой нагрузки q, далее будет наблюдаться резкое снижение коэффициента теплоотдачи. При соблюдении условия ∆Т ≥ ∆Т кр происходит слияние пузырьков, которые находятся близко друг от друга или образуются рядом, у поверхности стенки будет возникать паровая пленка, которая будет создавать дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Значение коэффициента теплоотдачи α резко падает. Этот режим процесса кипения называется пленочным. Следует отметить, что хотя пленка вещества в газообразном состоянии очень нестабильна, постоянно разрушаясь и возникая вновь, такой режим кипения серьезно ухудшает теплообмен, соответственно, на практике он крайне нежелателен.

Выводы

По итогам рассмотрения процессов кипения и конденсации можно судить о том, что они имеют большое значение в прикладных аспектах бытовой жизнедеятельности человека и производственных процессах.

В ходе изучения вопросов, связанных с теплообменом при протекании процессов конденсации и кипении, было установлено, что эти привычные человеку процессы имеют весьма сложную молекулярно-кинетическую природу. От протекания данных процессов зависит решение не только бытовых задач в повседневной деятельности человека, но и различные и многосторонние аспекты функционирования сложных технических систем, производственных комплексов, а также отдельных объектов и элементов инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства.

Процесс теплообмена при конденсации пара протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Специфика процесса конденсации состоит в том, что процесс теплообмена происходит при постоянной температуре.

При пузырчатом кипении теплообмен состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков пара вещества в виде теплоты испарения. Следует отметить, что теплообмен между стенкой и непосредственно пузырьками вещества в газообразном состоянии ничтожно мал, так как мала поверхность соприкосновения пузырьков пара со стенкой и мала теплопроводность пара. Для осуществления теплообмена жидкость должна иметь температуру несколько выше температуры пара, следовательно, при кипении температура жидкости выше температуры насыщенного пара над поверхностью жидкости.

Список литературы

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. – 552 с.
2. Бухмиров В.В. Теоретические основы теплотехники. – Иваново: изд-во ИГЭУ, 2008.
3. Ерохин В.Г., Маханько М.Г. Основы термодинамики и теплотехники. – М.: Ленанд, 2014. – 232 с.
4. Круглов Г.А., Булгакова Р.И., Круглова Е.С. Теплотехника. – СПб.: Лань, 2010. – 208 с.
5. Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника. – М.: ГЭОТАР, 2003. – 352 с.
6. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. – М.: изд-во Ассоциации строительных вузов, 2011. – 296 с.
7. Теплотехника / под ред. В.Н. Луканин. – М.: Высшая школа, 2009. – 678 с.
8. Теплотехника / под ред. М.Г. Шатров. – М.: Академия, 2013. – 288 с.

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.

При кипении жидкостей тепло от горячей стенки передается пристенному слою. Пузырьки пара, образование которых проходит в конкретных точках поверхности кипения (центрах парообразования), в процессе роста и отрыва, оттесняют частицы перегретого слоя в ядро кипящей жидкости. За счёт этого тепла и идет нагрев жидкости (если она еще недогрета до температуры кипения) и рост паровых пузырьков, оторвавшихся от поверхности нагрева. Величина перегрева пристенного слоя жидкости зависит от тепловой нагрузки, свойств кипящей жидкости и состояния поверхности нагрева и определяется условиями существования паровых пузырьков.

Для того чтобы паровой пузырек не был раздавлен жидкостью, давление внутри пузырька должно быть выше давления над зеркалом жидкости на величину гидростатического давления на глубинœе погружения пузырька плюс давление, создаваемое силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар.
Размещено на реф.рф
Последняя величина обратно пропорциональна диаметру пузырька. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, отрывной диаметр парового пузырька определяется давлением пара внутри него, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ будет равно давлению насыщенных паров окружающих слоев жидкости. С другой стороны, отрывной диаметр парового пузырька определяется размером центра парообразования, который представляет собой царапины, поры или впадины на твердой поверхности. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, чем крупнее центр парообразования, тем меньшие перегревы пристенного слоя требуются для отрыва паровых пузырьков. При увеличении температуры поверхности нагрева начинают действовать центры парообразования с меньшими размерами, увеличивается число действующих центров парообразования, возрастает число отрывающихся пузырьков, растет турбулизация жидкости, увеличивается интенсивность теплообмена.

На рисунке 2.8 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи от разности температур стенки и насыщенных паров, которую называют кривой кипения . При температурных напорах до 1¼2 °С тепло передается преимущественно теплопроводностью (зона 1). При увеличении напора до 3¼4 °С существенную роль играет свободная конвекция (зона 2), а при более высоких перегревах до 7¼9 °С начинают действовать отдельные, наиболее крупные центры парообразования. Здесь количество тепла, передаваемое естественной конвекцией, и тепло, передаваемое по механизму теплоотдачи при кипении, соизмеримы. Паровые пузырьки всплывают в жидкости, не касаясь друг друга. Это режим неразвитого пузырчатого кипения (зона 3). Здесь коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 0,2 ¼ 0,3 . При дальнейшем увеличении температуры стенки возрастает число действующих центров парообразования, жидкость интенсивно перемешивается, наблюдается развитое пузырчатое кипение (зона 4). В начале зоны слияние пузырьков наблюдается только в верхних слоях жидкости. В зоне развитого кипения коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 1,5 ¼ 2,2 . По мере увеличения температуры, область слияния пузырьков опускается к поверхности нагрева, а в точке К, называемой критической , происходит кризис кипения . Действующих центров парообразования появляется так много, что паровые пузырьки сливаются друг с другом уже в момент отрыва и образуют нестабильную паровую пленку. Наступает пленочный режим кипения (зона 6). Теплопроводность паровой пленки значительно ниже, чем теплопроводность жидкости, в связи с этим коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении резко снижается и в дальнейшем практически не меняется. Между режимами развитого пузырчатого и пленочного кипения находится довольно узкая переходная зона (зона 5). При очень больших температурных напорах существенным оказывается влияние лучистого теплообмена и коэффициент теплоотдачи вновь начинает расти (зона 7).

Для определœения коэффициента теплоотдачи при кипении предложено большое число зависимостей, которые плохо согласуются друг с другом. Авторы учебника рекомендуют формулы:

a=А×j×q 0,7 р 0,171 и a=(Аj) 3,33 Ñt 2,33 р 0,57 , (2.42)

где А – постоянный сомножитель (при кипении в большом объёме А=3,02, при кипении в трубах А=3,15); q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м 2 ; Ñt – температурный напор, °С; р – давление, бар; j – относительный коэффициент теплоотдачи:

для воды j=1,

для индивидуальных веществ j=(р кр /221,2) 0,52 ,

для индивидуальных веществ и смесей j=(0,018r/М) 0,47 (m в /m) 0,06 ,

для растворов солей j=18(n в /n) 0,23 (р/р s) 0,06 ,

где р кр – критическое давление веществ, бар; r – плотность вещества, кг/м 3 ; М – молекулярная масса вещества; m в и m – динамическая вязкость воды и вещества, Па×с; n в и m – кинœематическая вязкость воды и вещества, м 2 /с; р s – давление насыщенных водяных паров при температуре кипения раствора.

Для определœения критического удельного теплового потока (Вт/м 2) рекомендуется формула

q к =0,15r(r¢¢) 0,5 0,25 . (2.43)

При кипении пленок, стекающих по поверхности нагрева, возможны два режима течения пленки. При ламинарном течении (при q<4000 Вт/м 2) пленки кипение не происходит, а идет испарение жидкости с её поверхности и коэффициент теплоотдачи определяется толщиной d, скоростью w и физическими свойствами пленки жидкости

При турбулентном потоке пленки в ней наблюдается пузырьковое кипение жидкости и коэффициент теплоотдачи вычисляется по формуле

a=16,35(l/d)(dw/n) 0,26 0,69 при q=4000¼15000 Вт/м 2 ;

и a=2,6(l/d)(dw/n) 0,2 0,32 при q>15000 Вт/м 2 . (2.45)