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.

Теплоотдача при кипении жидкости.

Режимы кипения жидкости.

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. Процессы кипения находят применение в теплоэнергетике, химической технологии, атомной энергетики и др.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой подводится тепло, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Значительный перегрев имеет место, например при сбросе давления в системе.

Для возникновения процесса кипения необходимо два фактора: 1) перегрев жидкости, 2) наличие центров парообразования.

Различают два основных режима кипения пузырьковый и пленочный . Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым.

С увеличением теплового потока до некоторого значения отдельные паровые пузыри сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, периодически прорывающий в объем жидкости. Этот режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, называется пленочным.

Интенсивность теплообмена при пленочном кипении меньше, чем при пузырьковом.

Элементы физики процесса кипения.

Интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик кипения и режимных параметров процесса.

К микрохарактеристикам процесса относятся критический радиус пузырька, скорость его роста, отрывной диаметр и частота отрыва, работа необходимая для образования пузырька, характеристики поверхности и жидкости.

1). Минимальный радиус парового пузырька.

Обычно считают, что жидкость закипает при температуре t ж, равной t н выходящего из нее насыщенного пара, давление которого р н = р ж. Однако это не совсем так. При t ж = t н пузыри пара существовать не могут, и теплоотдача идет по законам естественной конвекции.

Дело в том, что давление насыщенного пара внутри пузырей р п должно уравновешивать не только давление жидкости р ж, но и силы поверхностного натяжения, сжимающие пузырь подобно упругой оболочке. А если р п > р н, то и t п > t н, поскольку более высокому давлению пара в насыщенном состоянии соответствует более высокая температура. Естественно, что и температура жидкости t ж, внутри которой образуются паровые пузыри, должна быть по меньшей мере равна t п. Таким образом, перегрев жидкости ∆t ж = (t ж - t н), необходимый для её закипания, однозначно определяется давлением ∆р, создаваемым силами поверхностного натяжения.

Для определения ∆р мысленно разрежем сферический пузырь по диаметру, заменим действие отброшенной нижней части на верхнюю силой поверхностного натяжения (она действует по периметру) и приравняем её вертикальной проекции сил давления (они действуют по полусфере) – см. рисунок.

отсюда получим:

Согласно этой формуле ∆р растет с уменьшением радиуса пузыря R. Поэтому при любом перегреве жидкости ∆t ж всегда найдется такой критический радиус пузыря R кр, при котором суммарное давление р ж + ∆р будет равно давлению насыщения р н при температуре t ж = t н + ∆t ж. Пузыри с радиусом R>R кр будут расти, поскольку р п > р ж + ∆р, а пузыри с радиусом R

Было получено УКК:

Если на границе раздела фаз кроме сил давления действуют и другие силы (например, силы поверхностного натяжения), то можно записать уравнение КК в обобщенном виде:

Для случая паровой пузырь
= 0,

В такой форме R к характеризует радиус кривизны пузырьков пара. Одновременно R к определяет порядок размеров неровностей поверхности, которые при данных условиях могут служить центрами парообразования.

С повышением ∆T значение R к уменьшается.

С повышением Р знач. R к уменьшается тоже, так как увеличивается ρ".

Увеличение ∆T и Р → ↓ R к → усиление кипения, так как увеличивается число центров парообразования.

В действительности зародышами паровых пузырей являются пузырьки газа. Газ в пузырьках, как упругое тело, только сжимается под действием поверхностного натяжения, не исчезая (так как он не может конденсироваться), поэтому критического радиуса для газовых пузырей не существует. Пар из перегретой жидкости образуется на поверхности газовых пузырей, радиус которых больше критического. Сильнее всего жидкость перегрета, естественно, около обогреваемой поверхности, поэтому там величина критического радиуса минимальна. Пузырьки газа или воздуха в микротрещинах и шероховатостях обогреваемой поверхности, радиус которых превышает R кр, и является местами зарождения паровых пузырей – так называемыми центрами парообразования.

После зарождения паровые пузыри быстро растут, отрываются от поверхности и всплывают, но небольшие части остаются на поверхности и служат зародышами следующих пузырей.

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.

Теплообмен при кипении жидкостей

Общие представления о процессе кипения. Кипением называют процесс образования пара внутри объема жидкости. Условия протекания этого процесса своеобразны и сложны.

Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т. е. превышение температуры жидкости - t ж относительно температуры насыщения - t s при заданном давлении - p.

Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при нормальном давлении. Однако, в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы. При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы, служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе теплоты через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, так называемых центрах парообразования. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру. Для практики этот вид кипения представляет наибольший интерес. Рассмотрим его основные характеристики.

По мере увеличения температуры поверхности нагрева t Q и соответственно температурного напора At = t c -t s 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. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает ее. Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2-0,4°С (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 Распределение температур в объеме кипящей жидкости

На рис. 5.2, а схематически показана картина пузырькового режима кипения жидкости. При повышении температурного напора At 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; г - теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; G" - 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 растет не беспредельно. При некотором значении он достигает максимального значения, а при дальнейшем повышении At начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим кипения называют пузырьковым. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают

Рисунок 5.2 Процесс кипения жидкости

Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ; соответствующее критическое значение температурного напора . Эти величины относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий
и других жидкостей величины будут иными).

При больших значениях наступает второй, переходный режим кипения (рис. 5.2, б). Он характеризуется тем, что, как и 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 и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. Так наступает третий, пленочный режим кипения (рис. 5.2, в). Перенос теплоты в режиме пленочного кипения от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет излучения. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая. 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. Минимальное значение тепловой нагрузки при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока . При атмосферном давлении для воды, кипящей на технических металлических поверхностях, момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором , т. е. температура поверхности составляет примерно 250°С.