2015-10-13
412
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.
