Теплоотдача при кипении. Теплообмен при кипении

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.

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 …

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ

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

Режимы кипения жидкости.

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3.1 – режимы кипения жидкости в неограниченном объеме: а) -пузырьковый; б) – переходный; в) - пленочный

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

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

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

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

Рисунок 3.2 – Зависимость плотности теплового потока q

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

Дать участки 1 2 3 и 4

Пузырьковыйрежим кипения имеет место на участке 2 (Рис. 3.2) до достижения максимального теплоотвода в точке q кр1 , называемой первой критической плотностью теплового потока . Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ≈ Вт/м 2 ; соответствующее критическое значение температурного напора Вт/м 2 . (Эти значения относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий и других жидкостей значения будут иными).

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

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения (рис. 3.1, в ). При этом перенос теплоты от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая (участок 4 на рис. 3.2). Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Это соответствует на рис. 3.2 точке q кр2 , называемой второй критической плотностью теплового потока. При атмосферном давлении для воды момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором ≈150 °С, т. е. температура поверхности t c составляет примерно 250°С. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет теплообмена излучением.

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

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

рис. 3.3 визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке: а) - пузырьковый и б) - пленочный режим кипения.

На практике часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для тепловых электрических нагревателей, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и, приближенно, в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой. В условиях q = const температура поверхности t c и соответственно температурный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает ряд важных особенностей. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 3.2, и процесс развивается так же, как это было описано выше. Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока q кр1 . Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой q кр1 , которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q - q кр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности. На рис. 3.2 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке q кр1 . Однако обычно это сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом).

Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 3.2). Лишь при достижении q кр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева. Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис. 3.2 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при q = q кр2 .

Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q , подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока q кр1 и q кр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.

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

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

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

Наблюдается три основные области с разной структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх (рис. 3.4): I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, где Т с =Т н ); II – область кипения (испарительный участок, от сечения, где Т с =Т н , i ж < i н, до сечения, где Т с =Т н , i см → i н); III – область подсыхания влажного пара.

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением насыщенной жидкости.

На рис. 3.4 схематично показан структура такого потока. Участок 1 соответствует подогреву однофазной жидкости до температуры насыщения (экономайзерный участок). На участке 2 происходит поверхностное пузырьковое кипение, при котором теплоотдача увеличивается по сравнению с участком 2. На участке 3 имеет место эмульсионный режим, при котором двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней сравнительно небольших пузырьков, которые в дальнейшем сливаются, образуя крупные пузыри-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. При пробковом режиме (участок 4) пар движется в виде отдельных крупных пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. Далее на участке 5 в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы – тонкий кольцевой слой жидкости. Толщина этого слоя жидкости постепенно уменьшается. Данный участок соответствует кольцевому режиму кипения, который заканчивается при исчезновении жидкости на стенке. На участке 6 происходит подсушивания пара (повышение степени сухости пара). Поскольку процесс кипения завершен, то теплоотдача снижается. В дальнейшем, вследствие увеличения удельного объема пара, скорость пара увеличивается, что ведет к некоторому увеличению теплоотдачи.

Рис.3.4 – Структура потока при кипении жидкости внутри вертикальной трубы

Увеличение скорости циркуляции при заданных q с , длине трубы и температуры на входе приводит к уменьшению участков с развитым кипением и увеличению длины экономайзерного участка; с увеличением q с при заданной скорости, наоборот, длина участков с развитым кипением увеличивается, а длина экономайзерного участка уменьшается.

Горизонтальные и наклонные трубы. При движении двухфазного потока внутри труб, расположенных горизонтально или с небольшим наклоном, кроме изменения структуры потока по длине, имеет место значительное изменение структуры по периметру трубы. Так, если скорость циркуляции и содержания пара в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в верхней части ее (рис. 3.5,а ). При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С дальнейшим увеличение содержания пара и скорости волновое движение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а потом – к кольцевому.

Рис. 3.5 – Структура потока при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы.

а – расслоенный режим кипения; б – стержневой режим; 1 – пар; 2 – жидкость.

При кольцевом режиме по всему периметру трубы устанавливается движение тонкого слоя жидкости, в ядре потока перемещается парожидкостная смесь (рис. 3.5,б ). Однако и в этом случае полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается.

если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока, то процесс кипения может происходить также при течении в трубе, недогретой до температуры насыщения жидкости, Такой процесс возникает, когда температура стенки t c превышает температуру насыщения t s . он охватывает пограничный слой жидкости непосредственно у стенки. Паровые пузырьки, попадающие в холодное ядро потока, быстро конденсируются. Этот вид кипения называют кипением с недогревом .

Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в технических устройствах.

3.1.2. Теплообмен при пузырьковом кипении.

Наблюдения показывают, что при увеличении температурного напора Δt = t c -t s , а также давления р на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева. Вследствие этого увеличиваются турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки также интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя. Все это способствует улучшению теплоотдачи. В целом процесс пузырькового кипения носит довольно хаотичный характер.

Исследования показывают, что на технических поверхностях нагрева число центров парообразования зависит от материала, строения и микрошероховатости поверхности, наличия неоднородности состава поверхности и адсорбированного поверхностью газа (воздуха). Заметное влияние оказывают различные налеты, окисные пленки, а также любые другие включения.

Наблюдения показывают, что в реальных условиях центрами парообразования обычно служат отдельные элементы неровности и микрошероховатости поверхности (предпочтительно различные углубления и впадины).

Обычно на новых поверхностях число центров парообразования выше, чем на тех же поверхностях после длительного кипения. В основном это объясняется наличием адсорбированного поверхностью газа. Со временем газ постепенно удаляется, он смешивается с паром, находящимся в растущих пузырьках, и выносится в паровое пространство. Процесс кипения и теплоотдача стабилизируются во времени и по интенсивность.

На условия образования паровых пузырьков большое влияние оказывает поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и пара.

Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р п выше давления окружающей его жидкости р ж. Их разность определяется уравнением Лапласа

(3-1)

где σ- поверхностное натяжение; R - радиус пузырька.

Уравнение Лапласа выражает условие механического равновесия. Оно показывает, что поверхностное натяжение наподобие упругой оболочки «сжимает» пар в пузырьке, причем тем сильнее, чем меньше его радиус R .

Зависимость давления пара в пузырьке от его размера накладывает особенности на условие теплового или термодинамического равновесия малых пузырьков. Пар в пузырьке и жидкость на его поверхности находятся в равновесии, если поверхность жидкости имеет температуру, равную температуре насыщения при давлении пара в пузырьке, t s (р п). Эта температура выше, чем температура насыщения при внешнем давлении в жидкости t s (р ж). Следовательно, для осуществления теплового равновесия жидкость вокруг пузырька должна быть перегрета на величину t s (р п)-t s (р ж).

Следующая особенность заключается в том, что это равновесие оказывается неустойчивым . Если температура жидкости несколько превысит равновесное значение, то произойдет испарение части жидкости внутрь пузырьков и его радиус увеличится. При этом согласно уравнению Лапласа давление пара в пузырьке понизится. Это приведет к новому отклонению от равновесного состояния. Пузырек начнет неограниченно расти. Так же при незначительном понижении температуры жидкости часть пара сконденсируется, размер пузырька уменьшится, давление пара в нем повысится. Это повлечет за собой дальнейшее отклонение от равновесных условий, теперь уже в другую сторону. В итоге пузырек полностью сконденсируется и исчезнет.

Следовательно, в перегретой жидкости не любые случайно возникшие маленькие пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение, отвечающее рассмотренным выше условиям неустойчивого механического и теплового равновесия. Это минимальное значение

(3-2а)

где производная представляет собой физическую характеристику данного вещества, она определяется уравнением Клапейрона - Клаузиса

(3-3)

т. е. выражается через другие физические постоянные: теплоту фазового перехода r , плотности пара ρ п и жидкости ρ ж и абсолютную температуру насыщения T s .

Уравнение (3-2) показывает, что если в отдельных точках поверхности нагрева появляются паровые зародыши, то способностью к дальнейшему самопроизвольному росту обладают лишь те из них, радиус кривизны которых превышает значение R min . Поскольку с ростом Δt величина R min снижается, уравнение (3-2) объясняет

экспериментально наблюдаемый факт увеличения числа центров парообразования при повышении температуры поверхности.

Увеличение числа центров парообразования с ростом давления также связано с уменьшением R min , ибо при повышении давления величина p′ s растет, а σ снижается. Расчеты показывают, что для воды, кипящей при атмосферном давлении, при Δt = 5°С R min = 6,7 мкм, а при Δt = 25°С R min = 1,3 мкм.

Наблюдения, проведенные с применением скоростной киносъемки, показывают, что при фиксированном режиме кипения частота образования паровых пузырьков оказывается неодинаковой как в различных точках поверхности, так и во времени. Это придает процессу кипения сложный статистический характер. Соответственно скорости роста и отрывные размеры различных пузырьков также характеризуются случайными отклонениями около некоторых средних величин.

После достижения пузырьком определенного размера он отрывается от поверхности. Отрывной размер определяется в основном взаимодействием сил тяжести, поверхностного натяжения и инерции. Последняя величина представляет собой динамическую реакцию, возникающую в жидкости вследствие быстрого роста пузырьков в размерах. Обычно эта сила препятствует отрыву пузырьков. Кроме того, характер развития и отрыва пузырьков в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Смачивающая способность жидкости характеризуется краевым углом θ, который образуется между стенкой и свободной поверхностью жидкости. Чем больше θ, тем хуже смачивающая способность жидкости. Принято считать, что при θ <90° (рис. 3.6, а ), жидкость смачивает поверхность, а при θ >90° - не смачивает. Значение краевого угла зависит от природы жидкости, материала, состояния и чистоты поверхности. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко (рис. 3.7, а ). Если же жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку (рис. 3.7, б ) и отрываются по перешейку, или парообразование происходит по всей поверхности.

Кипение - процесс парообразования, сопровождающийся бурным выделением пузырьков пара; это один из наиболее сложных процессов, обеспечивающих наибольшую интенсивность теплообмена. Особенности процесса рассмотрим сначала на примере кипения в большом объеме, хотя такое кипение не очень часто встречается в технике.

Если рассматривать отдельный пузырек пара внутри кипящей жидкости, можно отметить, что со стороны жидкости на пар действует не только сила давления р н, но и дополнительная сила, создаваемая поверхностным натяжением жидкости

где R - радиус пузырька; с - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Таким образом, существование и рост пузырька возможны только тогда, когда жидкость имеет температуру, несколько большую, чем температура насыщения, т.е. перегрета настолько, чтобы уравновесить величину Ар =а/2 R. В таком случае при испарении объем пузырька будет расти, а давление в нем - постепенно приближаться к р н.

Экспериментальные исследования полностью подтверждают эти рассуждения. На рис. 2.61 показаны образование, отрыв и всплытие пузырьков пара и изменение температуры внутри кипящей жидкости. Из рисунка видно, что заметный перегрев имеет место только в пристенном слое жидкости, где сильно проявляется влияние ее теплопроводности и где находится зона возникновения пузырьков. В основном же объеме жидкости в результате активного перемешивания температура жидкости практически одинакова и степень перегрева незначительна.

Наибольший перегрев возникает в зоне непосредственного контакта жидкости с горячей стенкой: At - t c - / н; здесь At - q/a, и величина этого перегрева зависит от передаваемого теплового потока q.

При небольших q или в начале кипения, когда перегрев жидкости еще небольшой, возникающие пузырьки пара очень малы и силы поверхностного натяжения не позволяют им расти, поскольку перегрев жидкости недостаточен. В результате возникает так называемое пристенное кипение, когда образующиеся пузырьки пара здесь же конденсируются и до поверхности практически не доходят.

В тех местах поверхности, где имеются микротрещины, микронеровности, царапины или пузырьки выделившегося растворенно-

Р и с. 2.61. Кипение в большом объеме и зависимость t =J{h)

го воздуха, перегрев жидкости будет большим и возникнут регулярные центры парообразования. С увеличением тепловой нагрузки q число таких центров и перегрев жидкости растут и начинается обычное кипение. Форма пузырька зависит от того, смачивает или не смачивает (это бывает реже) жидкость поверхность теплоотдачи (рис. 2.62). С течением времени объем пузырька растет, и когда подъемные силы станут больше сил сцепления, произойдут отрыв и всплытие пузырька. На его месте образуется, растет и вновь отрывается новый пузырек.

Образование, рост и отрыв пузырьков приводят к значительной турбулизации слоя жидкости, непосредственно соприкасающегося со стенкой. Именно этим объясняется очень высокая интенсивность теплоотдачи при кипении. Ведь во всех остальных случаях возле стенки всегда находится неподвижный слой жидких комков, а здесь и этот слой находится в движении.

С увеличением q увеличиваются перегрев жидкости и число центров парообразования, возрастают интенсивность кипения и величина а. При некоторой критической нагрузке q Kp число центров парообразования возрастает настолько, что пузырьки пара как бы отгораживают жидкость от стенки. Образуется нестабильная пленка пара, через которую теплота передается в основном теплопроводностью. При этом величина а резко уменьшается, так как пар имеет малую теплопроводность. Такое кипение называют пленочным, а переход к нему - кризисом кипения. На рис. 2.63 приведена так называемая кривая кипения, показывающая, как изменяется величина ос при изменении q. Из рисунка видно, что переход к пленочному кипению, происходящий при нагрузке q KpX , сопровождается резким уменьшением а. Обратный же переход от пленочного кипения к пузырьковому происходит при другой, гораздо меньшей нагрузке q Kp2 .

Кризис кипения - явление нежелательное и очень опасное, так как приводит к перегреву материала стенки и уменьшению ее механической прочности. Действительно, записав известную формулу

Рис. 2.62.

видим, что при практически неизменной величине q резкое уменьшение а возможно лишь при таком же увеличении разницы t c - t H , т. е. при увеличении t c . С увеличением t c прочность стенки уменьшается, и она может не выдержать действующих на нее механических напряжений. Кризис кипения явился причиной многих трагических аварий в теплоэнергетике, включая и Чернобыльскую катастрофу. Поэтому при проектировании парогенерирующего оборудования назначают рабочую тепловую нагрузку q так, чтобы она не превышала величины q Kp2 . Это возможно, если перегрев жидкости невелик и температура ее не превышает температуры предельного перегрева / пп, поскольку полный контакт жидкости со стенкой возможен только при t c / пп. Величина / пп для разных жидкостей определена экспериментально и приведена в справочниках . Известны и критериальные уравнения, позволяющие рассчитать величину q Kp2 .

Рис. 2.63.

Величину коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды обычно рассчитывают по эмпирической формуле

где р н - давление насыщения, МПа; q - плотность теплового потока при кипении, Вт/м 2 .

Для расчета кипения других жидкостей предложены следующие критериальные уравнения:

Здесь - коэффициент поверхностного натяжения конденсата; р" и р" - плотности жидкости соответственно на линии насыщения и сухого насыщенного пара. Все остальные физические константы определяют для жидкости по температуре / н.

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.