Теоретические сведения

Кипением называется процесс образования пара, происходящий в объеме жидкости, температура которой выше температуры насыщения. Существует два характерных вида кипения: кипение в большом объеме и кипение при вынужденном движении (кипение жидкости в трубах). Первый вид, рассматриваемый в данной работе, в свою очередь, может протекать в двух режимах: пузырьковом и пленочном. На практике пузырьковое кипение встречается намного чаще, чем пленочное.

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.

При пузырьковом режиме кипения 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.

Пузырьковый режим кипения наблюдается при значении плотности теплового потока меньшей предельного (критического) значения, которое называют первой критической плотностью теплового потока. Превышение критического значения приводит к кризису кипения первого рода − к очень быстрой смене пузырькового режима кипения пленочным режимом. Результатом этого является значительный разогрев теплоотдающей поверхности, который часто приводит к разрушению (пережогу) технологического оборудования.                    

При кипении жидкостей в большом объеме значение критической плотности теплового потока рассчитывают по формуле С.С. Кутателадзе

, Вт/м²,

где r – теплота парообразования, Дж/кг; p’ и p” – плотности насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара, соответственно, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²;  – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.

Обычно при проведении теплотехнических расчетов определяют запас до кризиса кипения первого рода , который позволяет судить о степени надежности работы теплоэнергетического оборудования.

Проведение расчетов

1. Определить коэффициент теплоотдачи α от наружной поверхности трубки испарителя к воде при пузырьковом режиме кипения, если тепловая нагрузка поверхности нагрева q = 0,1·10⁶; 0,2·10⁶; 0.5·10⁶; 0,8·10⁶; 1·10⁶; 1,2·10⁶; 1,4·10⁶ Вт/м². Вода находится под давлением p = 1 бар. Определить критическую тепловую нагрузку q_кр1. Построить графики зависимостей q(∆t) и α(∆t) в обычных и логарифмических координатах.

Методика решения

По заданному давлению пара p по таблицам для воды и водяного пара на линии насыщения определяются: температура насыщения t_н °C; плотность пара ρ" и воды ρ' кг/м³; теплота испарения r Дж/кг; кинематическая вязкость воды ν_ж м²/с; коэффициент температуропроводности воды а_ж м²/с; коэффициент теплопроводности воды λ_ж Вт/(м°С); теплоемкость воды с_р Дж/кг·°С; коэффициент поверхностного натяжения воды σ Н/м; число Прандтля конденсата Рr_ж. Все параметры берутся при температуре насыщения t_н.     Рассчитывается характерный линейный размер:

                                                   м,

где  К.

Определяется критическая тепловая нагрузка q_кр1 Вт/м² (когда пузырьковое кипение переходит в пленочное) из выражения:

                                                ,

где ; .

При пузырьковом кипении жидкости в большом объеме коэффициент теплоотдачи α рассчитывается по формулам:

при ;

при

где ; .

Определяется температурный напор:

 ,

где t_c - температура стенки.

2. Решить задачу 1 при условии, что вода находится под давлением p, равным 10; 55; 146 бар. Плотность теплового потока изменять в диапазоне от 0,1·10⁵ до q_Kp1 Вт/м.

3. Построить график критической тепловой нагрузки q_кр1 в зависимости от давления p. Взять следующие давления: 1; 2; 10; 19; 55; 98,7; 146; 186,7 бар.

Контрольные вопросы.

1. Что называют кипением жидкостей?

2. Какие существуют режимы кипения?

3. Как определить тепловую энергию, расходуемую на образование пара?

4. Что называют температурным напором? От чего он зависит?

5. Что называют кризисом кипения первого рода?