Теплоотдача при кипении однокомпонентных жидкостей. Теплообмен при кипении жидкостей

22.09.2019Рубрика: Тесты на беременность

Кипение –процесс интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или вышеэтой температуры. При кипении поглощается теплота фазового перехода, поэтому для осуществления стационарного процесса кипения необходим повод теплоты (см. формулу (5.4)).Различают поверхностное и объемное кипение. Объемное кипение жидкости встречается достаточно редко (например, при резком уменьшении давления) и, в этом случае, температура жидкости становится больше температуры насыщения при данном давлении. В нашем курсе будем рассматривать только теплообмен при кипении на твердых поверхностях или поверхностное кипение. Процесс кипения зависит от граничных условий теплообмена, давления среды, физических свойств жидкости, пара и твердой стенки, состояния твердой поверхности, геометрии системы, режима движения жидкости и т.д. Поэтому разработать математическую модель процесса кипения не представляется возможным и все сведения о механизме кипения получены опытным путем. При этом используется следующая классификация видов кипения:

По роду или режиму кипения – пузырьковое или пленочное;

По типу конвекции – при свободной (в большом объеме) или при вынужденной;

По расположению поверхности кипения – у вертикальной, наклонной или горизонтальной поверхности;

По характеру – неразвитое, неустойчивое, развитое.

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется температурное поле (рис.5.6 ,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

При кипении на твердых поверхностях можно выделить две области с разным по характеру изменением температурного поля: тепловой пограничный слой и тепловое ядро в жидкости.

Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,прилегающий непосредственно к поверхности стенки,впределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.5.6).Тепловое ядро жидкости – вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного слоя.В зависимости от конкретных условий теплообмена перегрев жидкости вблизи стенки

или перегрев стенки может составлять величину 5 ÷ 35 °C. Дело в том, что паровые пузырьки зарождаются не в любой точке поверхности теплообмена, а только в, так называемых, центрах парообразования – микровпадинах (трещинах, кавернах и т.п.), в которых сила поверхностного натяжения жидкости минимальна.

Рис.5.6. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T w =111,8 0 C, p н =1 бар):

а – картина процесса кипения; б – распределение температуры; 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; T пов.ж – температура поверхности жидкости; T w – температура поверхности теплообмена (стенки); T н – температура насыщения жидкости при заданном давлении; p н – давление насыщения; δ пс – толщина пограничного слоя; Q –тепловой поток от стенки к воде; G п – массовый расход пара

Для того чтобы паровой пузырь образовался в микровпадине, необходимо, чтобы ее размеры были больше некоторого минимального или критического радиуса пузырька:

, (5.25)

где – сила поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения, Н/м; – перепад давления между паром в пузыре (p п) и окружающей его жидкостью (p н). Перепад давления рассчитывают по формуле

, (5.26)

в которой r– скрытая теплота парообразования,Дж/кг; p н – давление насыщения пара, Па; – перепад температур между стенкой и жидкостью, ºC (K); R г – газовая постоянная, Дж/(кг·К); T н – температура насыщения, К.

Заметим, что с увеличением перегрева стенки и ростом давления насыщения p н критически радиус

парового пузыря уменьшается и впадины меньших размеров

могут служить центрами парообразования, что в итоге приводит к интенсификации кипения.

Кризисы кипения.

Первый кризис кипения связан с переходом режима от пузырькового к пленочному. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности (см. рисунок). Максимальный удельный тепловой поток при пузырьковом кипении называют первым кризисом кипения qкр1. Его значение очень важно для правильного проектирования и безаварийной эксплуатации современных эффективных теплообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения (Вт/м2×К):

(4.1)

где Dtкр1 – критический температурный напор, К;

Для воды при атмосферном давлении qкр1 = 1,2 × 106 Вт/м2; Dtкр1 = 20 ¸ 30 К. Наибольшие значения критический тепловой поток имеет при Рн = (0,3…0,4) Ркр, для воды это Рн = 0,35× 221 @ 77 бар, где Ркр @ 221 бар.

Кривая кипения воды при Р = 1 бар:

о – удельный тепловой поток q, Вт/м2;

D – коэффициент теплоотдачи a, Вт/м2×К

Гидродинамическая трактовка кризиса кипения основана на предположении, что кризис вызывается динамической неустойчивостью двухфазного кипящего слоя, определяемой соотношением сил тяжести, поверхностного натяжения и динамического напора потока. Тогда критический тепловой поток (Вт/м2):

Эта зависимость справедлива для кипения в большом объеме при условии свободного движения жидкости.

Второй кризис кипения происходит в начале обратного перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому. Как видно из рисунка, это

происходит при минимальной тепловой нагрузке.

При этом паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности резко снижается. Эта минимальная тепловая нагрузка при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока qкр2, соответствующий ей температурный напор Dtкр2 отвечает минимальной точке на кривой кипения рисунка.

Величина qкр2 существенно меньше qкр1 и для воды при Р = 1 бар составляет qкр2 » 3,5×104 Вт/м2. В работе высказано предположение о том, что критическая скорость кипения пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей, откуда [Вт/м2]:

Это простое соотношение достаточно хорошо соответствует экспериментальным данным.

Кипение - процесс интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или выше этой температуры.

При кипении поглощается теплота фазового перехода, поэтому для осуществления стационарного процесса кипения необходим повод теплоты (см. формулу (5.4)).

Различают поверхностное и объемное кипение. Объемное кипение жидкости встречается достаточно редко (например, при резком уменьшении давления) и, в этом случае, температура жидкости становится больше температуры насыщения при данном давлении. В нашем курсе будем рассматривать только теплообмен при кипении на твердых поверхностях или поверхностное кипение.

Процесс кипения зависит от граничных условий теплообмена, давления среды, физических свойств жидкости, пара и твердой стенки, состояния твердой поверхности, геометрии системы, режима движения жидкости и т.д. Поэтому разработать математическую модель процесса кипения не представляется возможным и все сведения о механизме кипения получены опытным путем.

При этом используется следующая классификация видов кипения:

По роду или режиму кипения - пузырьковое или пленочное;

По типу конвекции - при свободной (в большом объеме) или при вынужденной;

По расположению поверхности кипения - у вертикальной, наклонной или горизонтальной поверхности;

По характеру - неразвитое, неустойчивое, развитое.

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется температурное поле (рис. 5.6 ,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

Тепловой пограничный слой - весьма тонкий слой жидкости, прилегающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис. 5.6).

Тепловое ядро жидкости - вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного слоя.

В зависимости от конкретных условий теплообмена перегрев жидкости вблизи стенки или перегрев стенки может составлять величину 5 ÷ 35 °C. Дело в том, что паровые пузырьки зарождаются не в любой точке поверхности теплообмена, а только в, так называемых, центрах парообразования - микровпадинах (трещинах, кавернах и т.п.), в которых сила поверхностного натяжения жидкости минимальна.

Рис.5.6. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды

(T w = 111,8 0 C, p н = 1 бар):

а - картина процесса кипения; б - распределение температуры; 1 - поверхность теплообмена (стенка); 2 - насыщенный водяной пар; 3 - поверхность воды; 4 - всплывающие паровые пузыри; 5 - внешняя граница пограничного слоя; T пов.ж - температура поверхности жидкости; T w - температура поверхности теплообмена (стенки); T н - температура насыщения жидкости при заданном давлении; p н - давление насыщения; δ пс - толщина пограничного слоя; Q - тепловой поток от стенки к воде; G п - массовый расход пара

где - сила поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения, Н/м; - перепад давления между паром в пузыре (p п) и окружающей его жидкостью (p н). Перепад давления рассчитывают по формуле

, (5.26)

в которой r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; p н - давление насыщения пара, Па; - перепад температур между стенкой и жидкостью, ºC (K); R г - газовая постоянная, Дж/(кг·К); T н - температура насыщения, К.

Заметим, что с увеличением перегрева стенки и ростом давления насыщения p н критически радиус парового пузыря уменьшается и впадины меньших размеров могут служить центрами парообразования, что в итоге приводит к интенсификации кипения.

Режимы кипения в большом объеме (кривая кипения)

Для анализа процесса кипения широко используется экспериментально полученная зависимость между плотностью теплового потока (q), подводимого к обогреваемой поверхности, и температурным перепадом , график которой показан на рис. 5.7. Это график в научно-технической литературе называют "кривой кипения". На этой кривой выделяют несколько интервалов , соответствующих различным режимам теплоотдачи, название которых приведено в тексте, поясняющем рис. 5.7.

Пузырьковый режим кипения наблюдается при значениях соответствующих второй области на кривой кипения. 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 парообразования имеют радиус меньше критического. В этом случае происходит неустойчивое или слаборазвитое пузырьковое кипение. 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 (см. рис. 5.7, область 2).

Интенсивность теплоотдачи обусловлена термическим сопротивлением теплопроводности тонкой жидкой пленки, которая смачивает твердую поверхность и находится под областью паровых пузырей. С увеличением количества и частоты отрыва пузырей жидкая прослойка разрушается (турбулизируется) и ее термическое сопротивление уменьшается.

Коэффициент теплоотдачи (a) при развитом пузырьковом кипении достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м 2 К) (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 кипения применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических и химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

При дальнейшем увеличении перегрева стенки равном перегреву жидкости в пограничном слое () интенсивность теплоотдачи, достигнув максимума в критической точке "кр1", начинает снижаться (см. рис.5.7, область 3) из-за слияния все возрастающего количества пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения DT 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.

При дальнейшем увеличении перегрева (DT) интенсивность теплоотдачи, достигнув минимума во второй критической точке "кр2", снова начинает возрастать в области пленочного режима кипения (см. рис. 5.7, области 4 и 5). Такую перемену характера влияния перегрева на теплоотдачу называют вторым кризисом кипения .

Рис. 5.7. Изменение плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи от перегрева жидкости в пограничном слое

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

В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет жидкость от поверхности, и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент теплоотдачи перестает снижаться, оставаясь практически постоянным. Тепловой поток согласно закону Ньютона (5.1) снова начинает увеличиваться из-за возрастания температурного напора DT. Заметим, что увеличение теплового потока в области развитого пленочного кипения (при больших DT) происходит и из-за возрастания переноса теплоты излучением в паровой прослойке.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме кипения весьма низка, что приводит к сильному перегреву поверхности теплообмена.

Два вида перехода от пузырькового режима к пленочному

В зависимости от граничных условий теплообмена на поверхности теплообмена переход от пузырькового режима к пленочному может происходить, либо следуя кривой кипения (рис. 5.8, а ), либо скачкообразно (рис. 5.8, б ). Постепенный переход от развитого пузырькового кипения к пленочному имеет место при регулируемой температуре стенки (граничные условия I рода), а скачкообразный - при постоянном тепловом потоке, поступающем от стенки к жидкости (граничные условия II рода).

Для объяснения этого явления запишем формулу для расчета плотности теплового потока через тепловой пограничный слой (см. рис. 5.6):

, (5.27)

где - перепад температур в пограничном слое; - термическое сопротивление пограничного слоя; - толщина пограничного слоя (см. рис. 5.6); - коэффициент теплопроводности пограничного слоя.

При заданной постоянной температуре стенки (T w) перепад температур () не зависит от процесса теплообмена. Поэтому, при увеличении термического сопротивления пограничного слоя в переходной области вследствие ухудшения теплопроводных свойств пристенного слоя (), тепловой поток начинает уменьшаться () (см. рис. 5.8, а ).

а) ГУ I рода б) ГУ II рода

Рис. 5.8. Два вида перехода от пузырькового режима кипения к пленочному

При заданном постоянном тепловом потоке () увеличение термического сопротивления () приводит к скачкообразному росту перепада температур в пограничном слое () и, следовательно, к перегреву стенки () и возможному ее разрушению.

При снижении тепловой нагрузки переход к пузырьковому кипению произойдет скачком при минимальной тепловой нагрузке.

Расчет теплоотдачи при кипении

Все формулы расчета теплоотдачи при кипении получены на основе обработки многочисленных экспериментальных данных учеными разных научных школ. Поскольку условия проведения опыта у разных экспериментаторов точно не совпадали, то и , рассчитанные по формулам разных авторов, могут существенно отличаться. Поэтому ниже приведем только простейшие по форме, но достаточно апробированные расчетные формулы по теплоотдаче при кипении.

А. Пузырьковое кипение в большом объеме

Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву жидкости и давлению p н. В силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле

(5.28)

или, выражая перепад температур из закона теплоотдачи Ньютона и подставляя в формулу (5.28), получим:

, (5.29)

где C 1 , C 2 , k, z, m, n - коэффициенты, полученные в результате статистической обработки экспериментальных данных.; DT - перегрев стенки, 0 С (K); р н - давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар ; q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Для расчета теплоотдачи при кипении воды формулы (5.28) и (5.29) принимают вид

(5.30)

. (5.31)

Формулу (5.30) используют в расчетах пузырькового кипения при граничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (), а формулу (5.31) применяют в расчетах кипения при граничных условиях второго рода (заданная величина - плотность теплового потока (q) на поверхности стенки). Определив по формуле (5.31), несложно найти перегрев стенки (жидкости в пограничном слое) и температуру стенки

(5.32)

Б. Пленочное кипение в большом объеме

Схема пленочного кипения показана на рис. 5.9. Из рисунка видно, что наблюдается

Рис. 5.9. К расчету пленочного кипения

аналогия процессов конденсации и пленочного кипения. Поэтому формулы для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении имеют вид:

Кипение на вертикальной поверхности

; (5.33)

Кипение на горизонтальной трубе

, (5.34)

где плотность, коэффициент теплопроводности и динамический коэффициент вязкости пара; - плотность жидкости; r - скрытая теплота парообразования.

В качестве определяющей температуры в формулах (5.33) и (5.34) принята температура насыщения при данном давлении.

В. Расчет первого кризиса кипения

Расчет максимальной плотности теплового потока при пузырьковом режиме кипения (критической тепловой нагрузки) проводят по формуле

в которой - сила поверхностного натяжения жидкости; - плотность жидкости и пара; r - скрытая теплота парообразования.

Г. Расчет теплоотдача при кипении в трубах и каналах

Теплоотдача при кипении в трубах и каналах существенно отличается от теплоотдачи при кипении в большом объёме, потому что процесс непрерывного парообразования оказывает существенное влияние на гидродинамику течения, а, следовательно, и на теплообмен. При кипении в трубах с постоянным подводом теплоты происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фазы. Гидродинамическая структура двухфазного потока также зависит от расположения труб и каналов в пространстве.

В настоявшее время математическое моделирование течения и теплообмена двухфазных потоков чрезвычайно сложная и трудоемкая задача, поэтому информацию об уровне теплоотдачи при кипении в трубах и каналах получают из эксперимента. На рис. 5.10. изображена зависимость коэффициента теплоотдачи в зависимости от плотности теплового потока, поступающего на поверхность трубы и скорости течения двухфазного флюида. При малых скоростях течения коэффициент теплоотдачи не зависит от скорости, а зависит только от теплового потока (тепловой нагрузки), поступающего к пароводяной смеси (участок 1). В этом случае расчет теплоотдачи при кипении в трубах аналогичен расчету при кипении в большом объеме. При больших скоростях двухфазного потока, наоборот, теплоотдача зависит только от скорости течения флюида - наблюдается турбулентный режим конвективного теплообмена (участок 3). Существует и переходный участок от режима кипения воды в большом объеме до режима конвективного теплообмена при турбулентном течении в трубах.

Окончательный расчет коэффициент теплоотдачи выполняют следующим образом:

а) если , то ;

б) если , то ;

в) если , то ,

где поправочный коэффициент на теплоотдачу при кипении рассчитывается по формуле:

. (5.38)

Теплообмен при кипении жидкости широко применяется в судовой энергетики - это и производство пара в основных и вспомогательных котлах, ядерных реакторах, испарителях морской воды, в испарителях и воздухоохладителях холодильных установок.

Различают кипение на твердой поверхности теплообмена, через которую идёт поток тепла и кипение в объеме, когда тепловой поток индуцируется непосредственно в объем жидкости.

На практике гораздо более распространен вид кипения жидкости, контактирующей с теплообменной поверхностью.

Кипение - это процесс интенсивного образования пара при условии постоянного подвода тепла. Кипение возникает при небольшом перегреве жидкости, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении. Величина необходимого перегрева зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также от состояния поверхности, через которую в жидкость идет поток тепла. Чем чище жидкость, тем больше ее необходимо перегреть до возникновения кипения. Это объясняется трудностью самопроизвольного образования начальных зародышевых пузырьков пара из-за необходимости преодоления энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Если в жидкости присутствует растворенный газ (например, воздух) или мелкие взвешенные частицы, процесс кипения начинается практически сразу же после достижения жидкостью температуры насыщения. Газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твёрдые частицы служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Величина необходимого перегрева также снижается, если теплообменная поверхность (стенки и дно сосуда, стенки трубы), через которую в жидкость поступает тепловой поток, имеет микрошероховатости. При подводе потока тепла через такую поверхность наблюдается образование пузырьков в отдельных точках поверхности. Эти точки называются ЦЕНТРАМИ ПАРООБРАЗОВАНИЯ. Процесс кипения при этом начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью теплообмена и имеющих одинаковую с ней температуру. Образование пузырьков пара происходит в перегретом пограничном слое жидкости и только в центрах парообразования. Паровые пузырьки растут, отрываются от поверхности и всплывают.

Но не все пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение критического радиуса парового зародыша Rmin. Величина Rmin зависит от температуры поверхности и резко уменьшается при росте температуры стенки. Поэтому увеличение тепловой нагрузки, вызывающее возрастание температуры поверхности, приводит к росту числа действующих центров парообразования, и процесс кипения становится более интенсивным.

Всё тепло, поступающее в жидкость, расходуется на образование пара:

где r - теплота парообразования, Дж/кг.

G"" - количество пара, образовавшегося при кипении, кг/с.

Характер развития и отрыва пузырьков от теплообменной поверхности в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко. Если жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку и отрываются только верхняя часть пузырька

Рис. 14.1. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а)
и несмачиваемой (б) поверхностях

Рост пузырьков до отрыва и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое из-за чего резко возрастает теплоотдача от поверхности нагрева к жидкости. Такой режим кипения называется пузырьковым. При пузырьковом кипении площадь соприкосновения ножки пузырька с поверхностью теплообмена мала и поэтому тепловой поток практически без ограничений передаётся жидкости и расходуется на парообразование и на небольшое повышение температуры в объеме жидкости (например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме обычно составляет 0,2…0,4 °C). Для практики пузырьковое кипение представляет наибольший интерес.

Отвод тепла в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей, когда теплообменная поверхность работает с высокой плотностью теплового потока.

В режиме пузырькового кипения идет производство пара в парогенераторах и происходит эксплуатация основных и вспомогательных котлов.

Интенсивность пузырькового кипения зависит от величины удельной тепловой нагрузки q, Вт/м 2 , подводимой к поверхности теплообмена. Однако тепловой поток невозможно увеличивать беспредельно. С возрастанием величины теплового потока число действующих центров парообразования непрерывно увеличивается, и их становится так много, что отдельные пузырьки могут слиться в паровой слой, который периодически разрывается, а образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется плёночным. Возникновение плёнки, вместо отдельных пузырьков называется первым кризисом кипения. Для воды при атмосферном давлении кризис кипения наступает при плотности теплового потока q = 1,2·10 6 Вт/м 2 , этому тепловому потоку соответствует критическое значение температурного напора Dtкр = 25…35° C.

Причина возникновения кризиса кипения заключается в следующем. Слияние пузырьков, не успевших оторваться от теплообменной поверхности, образование плёнки пара изменяют условия теплообмена между жидкостью и стенкой. Стенка, к которой подводится тепловой поток, перестаёт омываться жидкостью, так как отделена от жидкости плёнкой пара, и поэтому поступающий к стенке тепловой поток только малую часть свою передается пару из-за низкой теплопроводности пара, остальная часть теплового потока расходуется на разогрев стенки. Температура стенки за доли секунды возрастает на сотни градусов. И если стенка выполнена из тугоплавкого материала, кризис заканчивается новым стационарным состоянием - плёночным кипением при очень высокой температуре теплообменной поверхности, и соответственно при новом, очень высоком значении разности температур Dt между температурной стенки и температурой насыщения, остающейся постоянной, так как её значение зависит только от величины давления. Режим кипения пузырьковый (рис. 14.2,а ) и пленочный (рис. 14.2,б ) представлен на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Режимы кипения: а – пузырьковый, б – переходный, в – пленочный

На рисунке запечатлен также (см. рис. 14.2,б ) момент перехода от пузырькового к плёночному кипению. При плёночном режиме кипения перенос тепла от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем теплопроводности и конвективного теплообмена в паровой плёнке, а также излучения сквозь плёнку пара. По мере увеличения температуры поверхности нагрева (и соответственно, роста Dt) все большая часть тепла в жидкость передаётся за счёт излучения. Интенсивность теплообмена при плёночном режиме кипения невелика. Пар, накапливающийся в паровой плёнке, периодически пульсациями отрывается в виде больших пузырей.

На графике 14.3 показаны пузырьковый и плёночный режимы кипения. Из графика видно, что плавного перехода от одного режима к другому нет. Если мы увеличиваем плотность теплового потока, это приводит к увеличению интенсивности теплообмена, но одновременно немного возрастает и температура поверхности (и соответственно Dt). Увеличение тепловой нагрузки свыше допустимого предела вызывает кризис кипения. Этот кризисный переход на рис. 14.3 показан стрелкой и происходит как перескок с кривой пузырькового кипения на линию плёночного кипения при том же значении тепловой нагрузки qкр1. Обычно кризис кипения заканчивается расправлением (пережогом) поверхности нагрева.

Рис. 14.3. Зависимость критической тепловой нагрузки от ∆t

Однако если разрушения поверхности не произошло, и установился плёночный режим кипения, то снижение плотности теплового потока не даст быстрого результата, и плёночный режим будет сохраняться. При снижении теплового потока процесс будет происходить по линии плёночного кипения. И только если мы снизим нагрузку до значения qкр2, возникнут предпосылки для смены режима. Эта смена режима также имеет кризисный характер и называется вторым кризисом кипения. При снижении тепловой нагрузки до значения qкр2 жидкость в отдельных точках начинает касаться теплообменной поверхности, из-за чего увеличивается отвод тепла от поверхности, что приводит к быстрому охлаждению поверхности нагрева. Происходит смена режимов и устанавливается пузырьковое кипение. Этот обратный переход также осуществляется "перескокам" по стрелке с кривой плёночного на линию пузырькового кипения при qкр2. Для воды при атмосферном давлении значение критической плотности теплового потока при этом равно qкр2 = 25000 Вт/м 2 .

Итак, оба перехода: от пузырькового к плёночному и обратно носит кризисный характер. Они происходят при тепловых потоках qкр1 и qкр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, потому что переход осуществляется практически мгновенно, за доли секунды.

На практике широко применяется кипение жидкости движущейся внутри труб или каналов различной формы. Из-за движения жидкости в ограниченном объеме возникают новые особенности. На развитие процесса влияет скорость вынужденного движения жидкости или пароводяной смеси и структура двухфазового потока. Характер движения смеси воды и пара внутри труб представлен на (рис. 14.4)

Рис. 14.4. Характер движения пароводяной смеси в трубах

В зависимости от содержания пара, скорости смеси и расположения труб в пространстве характер движения может быть в виде однородной эмульсии (см. рис. 14.4а) или в виде самостоятельных потоков воды и пара (см. рис. 14.4б , 14.4д ).

Если труба расположена вертикально, то самостоятельный поток пара будет двигаться по оси трубы, в центре, а плёнка воды - по периферии, по стенке трубы. При горизонтальном расположении труб пар двигается в верхней части трубы, вода - в нижней.

Экспериментальные данные по кипению были обобщеныЛабунцовым Д.А. Им предложено критериальное уравнение для расчета теплоотдачи при пузырьковом кипении.

где - критерий Нуссельта, характеризующий теплообмен при кипении на границе стенка – жидкость;

Критерий Рейнольдса, характеризующий состояние сил инерции и сил вязкости при кипении;

Характерный линейный размер, пропорциональный отрывному диаметру пузыря, м;

Скорость кипения, м/с;

Cp - теплоемкость жидкости, кДж/(кг·К);

r - теплота парообразования, кДж/кг;

s - поверхностное натяжение, Н/м;

r", r"" - плотность жидкости и пара при данной температуре насыщения, кг/м 3 ;

Ts - абсолютное значение температуры насыщения, К.

Значения постоянных С и n принимаются равными:

Значения всех физических параметров, входящих в критерии подобия следует принимать при данной температуре насыщения. В связи со сложностью и громоздкостью расчётов по определению коэффициента теплоотдачи с помощью критериального уравнения (14.2), на практике для вычисления коэффициента теплоотдачи в режиме пузырькового кипения широко используют зависимость, полученную при кипении воды М.А. Михеевым:

где q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м 2 ;

p - абсолютное давление пара, Па.

Пузырьковое кипение характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи и соответственно возможностью отвода с единицы поверхности значительных потоков тепла, ограниченных только значением критического теплового потока qкр1. Величину qкр1 в условиях естественной конвенции на горизонтальных трубах и плитках можно определить из формулы:

При плёночном режиме кипения кипящая жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой. Поэтому температура поверхности tc значительно превышает температуру насыщения ts. Из-за высоких значений температуры теплообменной поверхности между ней и жидкостью возникает лучистый теплообмен. Интенсивность конвективного теплообмена при плёночном кипении определяется термическим сопротивлением паровой плёнки. Характер движения пара в плёнке и её толщина зависят от размеров и формы поверхности нагрева и ее расположения в пространстве. Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах можно вести по зависимости

Все физические параметры в этой формуле (за исключением плотности жидкости r") относятся к правой фазе. Их следует выбирать по средней температуре пара

При плёночном кипении на поверхности вертикальных труб опытные данные обобщены Лабунцовым Д.А:

Физические свойства пара здесь также следует выбирать по средней температуре пара.

Кипением называется процесс парообразования, происходящий при температуре кипения (насыщения) в толще жидкости. При этом поглощается теплота фазового перехода, вследствие чего для поддержания процесса необходимо непрерывно подводить тепло, т.е. кипение связано с теплообменом. При кипении паровая фаза образуется в виде пузырей. В нагретой не кипящей жидкости в отсутствие вынужденного течения теплота через пограничный слой передается свободной конвекцией и теплопроводностью. При кипении перенос массы вещества и теплоты из пограничного слоя в объем жидкости осуществляется еще и паровыми пузырьками, которые, всплывая, вызывают интенсивное перемешивание жидкости и турбулизацию пограничного слоя.Поскольку обычно подвод теплоты осуществляется через поверхность теплообмена, то и пузыри возникают на этой поверхности. Если поверхность погружена в большой объем жидкости, вынужденное движение которой отсутствует, то такой процесс называют кипением в большом объеме. В теплоэнергетике чаще всего встречаются процессы кипения на поверхности нагрева (поверхности труб, стенки котлов и т.п.).

Режимы кипения. Различают два режима кипения: пузырьковый режим, когда пар образуется на поверхности в виде отдельных периодически зарождающихся пузырьков, и пленочный режим кипения, когда количество пузырьков у поверхности становится настолько большое, что они сливаются в единую паровую пленку, через которую теплота от нагретой поверхности передается в объем жидкости теплопроводностью. Поскольку коэффициент теплопроводности пара примерно в 30 раз меньше такового для воды, то термическое сопротивление теплопроводности через паровую пленку резко возрастает, что может привести к пережогу поверхности теплообмена. Поэтому этот режим в теплоэнергетических установках не допускается.

Условия, необходимые для возникновения процесса кипения . Для возникновения кипения необходимо и достаточно два условия: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения при давлении жидкости и наличие центров парообразования, в качестве которых могут выступать различные включения в жидкости (твердые частицы и пузырьки газов), а также углубления и впадины на поверхности теплообмена, что связано с шероховатостью.

Пусть жидкость находится в сосуде с обогреваемым дном. Если жидкость кипит, то температура пара над жидкостью равна . Температура в самой жидкости всегда несколько больше . По мере приближения к обогреваемому дну температура практически не изменяется. Лишь в непосредственной близости от дна происходит ее резкое увеличение до .

Из рисунка следует, что наибольший перегрев () наблюдается у поверхности теплообмена, но здесь же находятся центры парообразования в виде шероховатости. Этим и объясняется, почему пузыри образуются именно на поверхности теплообмена.

Для того чтобы пузырек развивался, т.е. увеличивался в объеме за счет испарения жидкости с поверхности пузырька во внутрь него, давление пара в нем должно быть больше давления, обусловленного окружающей жидкостью и силой поверхностного натяжения.

Давление и температура насыщения связаны жесткой зависимостью: чем больше давление, тем выше температура насыщения. Отсюда становится понятно, почему одним из условий возникновения кипения (образования пузырьков пара) является перегрев жидкости. Объем пузырька увеличивается до тех пор, пока подъемная сила, стремящаяся оторвать его, не будет больше сил, удерживающих его на поверхности. Размер пузырька в момент его отрыва характеризуется отрывным диаметром. Оторвавшийся пузырь перемещается кверху, продолжая увеличиваться в объеме. На поверхности раздела жидкость – пар пузырек лопается.

Поскольку пузыри возникают, растут и отрываются на поверхности теплообмена, то они тем самым разрушают пограничный слой, который является основным термическим сопротивлением. Поэтому теплоотдача при кипении является высокоинтенсивным процессом. Для воды, например, коэффициент достигает (10 … 40) 10 3 Вт/(м 2 ×К).

В процессе кипения поверхность теплообмена контактирует частично с паровой, частично с жидкой фазой. Но , поэтому теплота в основном передается жидкой среде, т.е. идет на ее перегрев, и лишь затем перегретая жидкость испаряется с поверхности пузырей во внутрь их.

На рисунке приведена зависимость коэффициента от (перегрева жидкости).

Можно выделить следующие области кипения. При небольших температурных напорах теплоотдача определяется в основном условиями свободной конвекции, так как количество образующих пузырей невелико и они не оказывают существенного воздействия на пограничный слой – это область конвективного кипения I. В этой области коэффициент теплоотдачи пропорционален . С ростом перегрева жидкости все меньшая шероховатость может служить центрами парообразования, а это приводит к увеличению их числа, и, кроме того, увеличивается частота отрыва пузырей в каждом центре парообразования. Это вызывает усиление циркуляции в пограничном слое, вследствие чего теплоотдача резко возрастает. Наступает развитый пузырьковый режим кипения (область II). пропорционален .

С дальнейшим ростом температурного напора () число пузырей становится настолько большим, что они начинают сливаться, в результате чего все большая часть поверхности будет соприкасаться с паровой фазой, теплопроводность которой ниже, чем жидкости. Поэтому теплоотдача, достигнув максимума, начнет снижаться (переходный режим III) до тех пор, пока не образуется сплошная паровая пленка, отделяющая жидкость от поверхности нагрева. Такой режим кипения называется пленочным (область IV). В последнем случае коэффициент практически не зависит от .

На рисунке представлена экспериментально полученная зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока

при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции.

Из рисунка следует, что с увеличением плотности теплового потока коэффициент теплоотдачи возрастает (участок О – А). Этот участок соответствует пузырьковому режиму кипения. При достижении

плотности теплового потока = Вт/м 2 коэффициент теплоотдачи резко уменьшается (линия А – Г) – пузырьковый режим сменяется пленочным. Участок Г–Д соответствует пленочному режиму. Явление перехода пузырькового режима кипения в пленочный называют

первым кризисом кипения (). При переходе от пузырькового режима к пленочному значительно возрастает перепад температур . Обратный переход от пленочного к пузырьковому кипению происходит при плотности теплового потока Вт/м 2 (линия Б – С), который примерно в 4 раза меньше . Явление перехода от пленочного кипения к пузырьковому называют вторым кризисом кипения (). Участок кривой А – Б характеризует переходный режим, здесь могут сосуществовать одновременно и пузырьковый и пленочный режимы на различных частях поверхности нагрева.

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.