Режимы кипения жидкости

Кипение - фазовый переход, который происходит в объеме жидкости.

Для самого факта образования пузырька пара в объеме жидкости необходимо затратить некоторую работу, поэтому жидкость должна быть несколько перегретой (T’ > TS).

s - коэффициент поверхностного натяжения;

R* - радиус пузырька;

Так как пар находится в условиях термического равновесия,

, т. е.

- уравнение Клайперона-Клаузиуса.

v” >> v’

Состояние термического равновесия паровой и жидкой фазы при кипении абсолютно не устойчиво.

Если R* ¯ Þ пузырек схлопывается;

Если R* Þ пузырек расширяется и всплывает на поверхность.

Если жидкость не имеет примесей (центров парообразования) температура перегрева достигает значительных величин (вплоть до температуры Спинодаля)

Температура Спинодаля - температура выше которой жидкость не может существовать, как жидкость.

В реальных условиях паровые пузырьки образуются на поверхности твердых тел (центры парообразования, микрошероховатости). Размеры шероховатостей должны соответствовать R*. В нормальных условиях необходимы перегрев поверхности составляет 5…7 0С. В случае высоких давлений достаточно 1 0С.

Кривая кипения - зависимость теплового потока qS(DT) от перегрева поверхности DT = Tст - TS.

AB - участок свободной конвекции жидкости при турбулентном течении.

BC - участок пузырькового кипения, на котором возникают стабильные центры парообразований. На всем промежутке участка BC qS ~ DT 3. При этом между пузырьками пара и поверхностью всегда сохраняется пленка жидкости.

На участке CD происходит скачкообразный переход к режиму пленочного кипения, когда между пузырьками пара и поверхностью нагрева исчезает пленка жидкости.

Коэффициент теплоотдачи в точке D резко падает в десятки раз по сравнению с точкой С -- кризис кипения.

При уменьшении qS режим пленочного кипения сохраняется до точки Е и затем пленочное кипение скачком переходит к пузырьковому (участок EF) - кризис пленочного кипения.

Теплообмен при пузырьковом кипении

При пузырьковом кипении возникает возможность отводить значительные тепловые потоки при небольшом перегреве.

Зависимость qS ~ DT 3 сохраняется не только в неподвижном теплоносителе, но и при принудительной циркуляции.

При малых тепловых потоках теплообмен аналогичен теплообмену в однофазных теплоносителях. При увеличении теплового потока начинают проявляться характерные особенности. Некоторые факторы, как например, микрошероховатость, примеси, могут изменять перегрев поверхности до 2 раз.

Теория Лагунцова

При движении теплоносителя и возникновении поверхностного кипения, проявляются два конкурентных механизма теплообмена:

1. Связанный с конвективным теплообменом.

2. Связанный с тем, что тепловой поток в теплоноситель отводится при образовании пузырьков пара.

q = q1 + q2

q1 - перенос тепла за счет конвективного теплообмена.

q2 - перенос тепла, связанный с отрывом пузырьков пара.

n ~ CR* -2 - плотность центров парообразования.

- среднее расстояние между центрами парообразования.

, где C = 103 … 104.

т. е. q2 сосредоточено на относительно небольшом участке, но количество тепла, отводимое через этот канал значительно.

R - универсальная газовая постоянная;

Теплообмен при движении жидкости

T - температура тела;

a - коэффициент теплообмена.

Прямая линия на графиках соответствует конвективному теплообмену. При увеличении скорости или теплового потока проявляется эффект пузырькового кипения.

aw - коэффициент теплоотдачи, связанный с конвекцией однофазного теплоносителя;

aq - коэффициент теплоотдачи для большого объема жидкости при кипении.

Считается, что при aw > 2aq Þ a» aw

при aq > 2aw Þ a» aq

- при Tтеп