Случай фиксированной температуры стенки

Будем рассматривать установившийся процесс кипения, причем в экспериментах имеется возможность задавать и строго поддерживать определённую температуру стенки , то есть температурный напор , и измерять соответствующее значение .

При небольших пузырьков образуется мало, теплоотдача происходит, в основном, за счёт свободной конвекции. Соответственно, растёт с ростом примерно как при свободной конвекции. Это конвективный режим кипения – зона на графике кривой (рис. …). Для воды в обычных условиях в этой зоне до 5 К в точке , при этом до 6000Вт/м².

Далее, с ростом растёт и число центров парообразования, и частота отрыва пузырьков. С возмущением пограничного слоя сильно растут и – наступает режим развитого пузырькового кипения – зона на графике, продолжающаяся до , в точке , где достигает локального максимума. Для воды при обычном давлении К, Вт/м². Вместе эти два режима () называются пузырьковым кипением.

При дальнейшем увеличении пузырьков на стенке образуется так много, что они там местами начинают сливаться в плёнку пара, отделяющую жидкость от стенки. От плёнки отделяются сразу большие пузыри пара, разрушая её, но она образуется вновь. Плёнка резко уменьшает теплоотдачу, из-за этого и уменьшаются – это переходный режим, зона на графике.

Рис.

Когда при (точка ) плёнка пара покрывает всю стенку, условия теплоотдачи стабилизируются, и далее растёт с . То есть значение даёт локальный минимум, а при имеет место режим устойчивого плёночного кипения – зона . Иногда в области очень высоких температур выделяют ещё зону , где существенна роль лучистого теплообмена.

Случай фиксированного . Кризисы кипения.

Выполнить указанное выше условие задания и строгого поддержания величины напора физически возможно, но иногда сложно, особенно в зоне переходного режима. На практике чаще реализуется случай заданной плотности теплового потока (электронагрев, нагрев за счёт ядерных реакций) или близкий к этому режим нагрева (обогрев стенки раскалёнными топочными газами, тепловым излучением и т.п.). Поэтому будем теперь считать, что в экспериментах задается и поддерживается величина , а соответствующее ей значение напора измеряется.

В этом случае сначала с ростом в зонах и далее значения также растут, описывая ту же кривую (рис. …), пока не будет достигнута точка с , . Но увеличивать значение дальше по кривой непрерывно нельзя (так как – локальный максимум ). С физической точки зрения при хотя бы небольшом увеличении на стенке начнут появляться участки пленочного кипения. А так как плотность теплового потока через стенку фиксирована, то при этом под плёнкой пара, плохо проводящей тепло, резко растёт температура стенки – происходит быстрое увеличение площади плёнки и в результате переход сразу в режим развитого плёночного кипения со скачкообразным ростом . Это явление называется кризисом кипения. На графике это соответствует “перескоку” I кривой из точки с , сразу на участок плёночного кипения в .

Рис.

Далее с ростом будет непрерывно расти по участку кривой. Если же затем в режиме плёночного кипения уменьшать , напор будет уменьшаться по участку вплоть до точки , где , . Тогда плёнка пара настолько утончается, что где-то появляется контакт жидкости со стенкой, при этом происходит резкое охлаждение стенки, площадь контакта очень быстро растёт, и процесс скачком переходит в режим пузырькового кипения – “перескок” II на кривой из точки в – тоже кризис кипения.

Таким образом, при одной и той же интенсивности нагрева в интервале может устойчиво существовать любой из режимов – (пузырькового) или (плёночного) кипения, в зависимости от истории процесса. Переходный режим при фиксированном неустойчив и не может быть осуществлён.

Из сказанного видно, что на плёночном режиме кипения имеет место высокая температура стенки (соответствующее термическое разрушение стенки называется пережог). Поэтому в промышленных аппаратах обычно используют режим пузырькового кипения , . Но для повышения эффективности стараются брать эти параметры высокими, насколько возможно с точки зрения безопасности работы.

В качестве примеров устройств с пузырьковым кипением можно привести различные парогенераторы, перегонные аппараты и др.

Плёночное кипение встречается в устройствах для охлаждения, например, при испарении хладоагента в холодильных установках, при охлаждении камер сгорания и сопел ЖРД (жидкостно-реактивных двигателей) и т.п. Особое место занимает кипение в некоторых технологических процессах, типа закаливания стальных или других изделий.