Теплоотдача при кипении жидкости

 

Рост пузырьков до отрыва от нагреваемой поверхности и дви­жение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и пере­мешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко воз­растает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пузырьковым кипением. При пузырьковом кипении вся теплота от поверхности нагрева передается погранично­му слою жидкости, так как площадь соприкосновения ножек пузырь­ков пара с поверхностью весьма незначительна.

С возрастанием температурного напора или с возрастанием плот­ности теплового потока число центров парообразования увеличивает­ся. В результате их становится так много, что образующиеся пузырьки пара сливаются в один сплошной паровой слой, а кипение при таких ус­ловиях называется пленочным. Эта пленка ввиду малой теплопро­водности пара представляет большое термическое сопротивление. Теплоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает.

Рис. 6-1.

Коэффициент теплоотдачи в условиях свободного движения
в большом объеме зависит от физических свойств жидкости, темпе­ратурного напора и давления. На рис. 6-1 показаны графики изменения коэффициента теплоотдачи при кипении воды (при атмосферном давлении) и плотности теплового потока от температурного напора Δ t = t - t _н.

При малых температурных напорах, до 5 °C, значение коэффициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении температурного напора коэффициент теплоотдачи быстро возрастает в связи с началом пузырькового кипения. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковый режим переходит в пленочный и при дальнейшем повышении Δ t коэффициент теплоотдачи резко снижается. Этот переход обусловлен интенсивным образованием пузырьков, при котором они не успевают отрываться и образуют сплошную паровую пленку, изолирующую массу жидкости от стенки.

Величины Δ t, a и q, соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочный, называют критическими. Установление существования критического температурного напора Δ t _кр имеет большое практическое зна­чение для выбора оптимального режима работы кипятильных и выпарных аппаратов.

Для определения коэффициента теплоотдачи и критической величины теплового потока при пузырьковом кипении жидкости в условиях естественной конвекции в большом объеме Г. Н. Кружилин, обработав опытные данные на основании теории подобия, предложил обобщенные формулы в следующем виде:

, Вт/м²∙град(6-1)

, Вт/м²(6-2)

где ρ ^’ и ρ ^” - плотности жидкости и газа; r - теплота парообразования; σ - коэффициент поверхностного натяжения; λ - коэффициент теплопроводности жидкости; μ - коэффициент динамической вязкости жидкости; с - теплоемкость жидкости; Т_н - обсолютная температура насыщения при данном давлении. Академик М.А. Михеев, используя данные Г.Н. Кружилина, рекомендует для интервала давления р = (0,2-80) барвесьма простые расчетные формулы при пузырьковом кипении воды

a = 3,15 р ^0.15 q ^0.7; a =46 Δ t ^2.33 р ^0,5 Вт/м²·град,(6-3)

где Δ t = t _ст- t _н— температурный напор;

р — абсолютное давление пара, бар;

q — плотность теплового потока, Вт/м².