Теплообмен при кипении

Контрольные вопросы

1. Что такое теплоотдача? Запишите формулу Ньютона для конвективного теплообмена. Что такое коэффициент теплоотдачи?

2. Что такое вынужденная, и что такое естественная конвекция? Какой определяющий критерий характеризует вынужденную, а какой — естественную конвекцию?

3. Что такое тепловой, и что такое гидродинамический пограничный слой? В чем причины их возникновения?

4. Сформулируйте теоремы подобия.

5. Запишите формулы основных критериев подобия конвективного теплообмена и объясните их физический смысл.

6. Что такое определяющий размер и определяющая температура?

7. Опишите гидродинамические условия течения теплоносителя вдоль плоской теплообменной поверхности.

8. Какова физическая суть соотношения ?

9. Запишите критериальную зависимость для расчета теплоотдачи при турбулентном течении потока вдоль пластины.

10. Как и почему упрощаются критериальные зависимости при течении воздуха?

11. Какие распределения скорости по сечению трубы наблюдаются при ламинарном и турбулентном режимах?

12. Охарактеризуйте процесс гидродинамической и тепловой стабилизации при течении жидкости внутри трубы.

13. Запишите классическую критериальную зависимость описывающую теплообмен при турбулентном режиме течения жидкости внутри трубы.

14. Охарактеризуйте гидродинамическую картину при естественной конвекции. Как изменения характера движения влияют на формирование пограничного слоя и на теплоотдачу?

15. Запишите критериальное уравнение теплообмена для вертикальной теплообменной поверхности при ?

16. Какой вид имеет критериальная зависимость для горизонтальной поверхности?

17. Чем определяется и какой вид имеет циркуляция в щелях и каналах?

18. Охарактеризуйте гидродинамические условия обтекания одиночной трубы.

19. Как отражаются гидродинамические условия на теплоотдаче? Сравните картины формирования пограничных слоёв при ламинарном и турбулентном режимах.

20. Запишите расчетное критериальное уравнение теплоотдачи при турбулентном режиме.

21. Какой вид принимает критериальная зависимость теплоотдачи при турбулентном режиме, если теплоноситель — воздух?

22. Какие пучки труб применяются в теплообменниках, какие геометрические параметры характеризуют пучки?

23. Сравните гидродинамические условия обтекания одиночной трубы и пучка труб.

24. Запишите критериальное уравнение теплоотдачи при турбулентном обтекании коридорного пучка.

25. Запишите критериальное уравнение теплоотдачи при турбулентном обтекании шахматного пучка.

26. Что такое средняя теплоотдача пучков? Как влияет на теплоотдачу изменение угла атаки пучка потоком?

27. Как изменяется расчетная зависимость теплоотдачи пучков при обтекании их потоком воздуха?

14. Теплообмен при изменении агрегатного
состояния

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:

, Вт, (14.1)

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/м², 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 = 1,2·10⁶ Вт/м², 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/м².

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. 14.4 б, 14.4 д).

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.

, (14.2)

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/м³;

Ts — абсолютное значение температуры насыщения, К.

Значения постоянных С и n принимаются равными:

при Re < 0,01	C = 0,0625	n = 0,5
при Re > 0,01	C=0,125	n = 0,65

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:

(14.3)

где q — поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²;

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:

. (14.4)

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

. (14.5)

Все физические параметры в этой формуле (за исключением плотности жидкости r') относятся к правой фазе. Их следует выбирать по средней температуре пара