Теплоотдача при кипении жидкости в большом объеме

Кипением называется процесс парообразования, происходящий при температуре кипения (насыщения) в толще жидкости. При этом поглощается теплота фазового перехода, вследствие чего для поддержания процесса необходимо непрерывно подводить тепло, т.е. кипение связано с теплообменом. При кипении паровая фаза образуется в виде пузырей. В нагретой не кипящей жидкости в отсутствие вынужденного течения теплота через пограничный слой передается свободной конвекцией и теплопроводностью. При кипении перенос массы вещества и теплоты из пограничного слоя в объем жидкости осуществляется еще и паровыми пузырьками, которые, всплывая, вызывают интенсивное перемешивание жидкости и турбулизацию пограничного слоя.Поскольку обычно подвод теплоты осуществляется через поверхность теплообмена, то и пузыри возникают на этой поверхности. Если поверхность погружена в большой объем жидкости, вынужденное движение которой отсутствует, то такой процесс называют кипением в большом объеме. В теплоэнергетике чаще всего встречаются процессы кипения на поверхности нагрева (поверхности труб, стенки котлов и т.п.).

Режимы кипения. Различают два режима кипения: пузырьковый режим, когда пар образуется на поверхности в виде отдельных периодически зарождающихся пузырьков, и пленочный режим кипения, когда количество пузырьков у поверхности становится настолько большое, что они сливаются в единую паровую пленку, через которую теплота от нагретой поверхности передается в объем жидкости теплопроводностью. Поскольку коэффициент теплопроводности пара примерно в 30 раз меньше такового для воды, то термическое сопротивление теплопроводности через паровую пленку резко возрастает, что может привести к пережогу поверхности теплообмена. Поэтому этот режим в теплоэнергетических установках не допускается.

Условия, необходимые для возникновения процесса кипения. Для возникновения кипения необходимо и достаточно два условия: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения при давлении жидкости и наличие центров парообразования, в качестве которых могут выступать различные включения в жидкости (твердые частицы и пузырьки газов), а также углубления и впадины на поверхности теплообмена, что связано с шероховатостью.

Пусть жидкость находится в сосуде с обогреваемым дном. Если жидкость кипит, то температура пара над жидкостью равна . Температура в самой жидкости всегда несколько больше . По мере приближения к обогреваемому дну температура практически не изменяется. Лишь в непосредственной близости от дна происходит ее резкое увеличение до .

Из рисунка следует, что наибольший перегрев () наблюдается у поверхности теплообмена, но здесь же находятся центры парообразования в виде шероховатости. Этим и объясняется, почему пузыри образуются именно на поверхности теплообмена.

Для того чтобы пузырек развивался, т.е. увеличивался в объеме за счет испарения жидкости с поверхности пузырька во внутрь него, давление пара в нем должно быть больше давления, обусловленного окружающей жидкостью и силой поверхностного натяжения.

Давление и температура насыщения связаны жесткой зависимостью: чем больше давление, тем выше температура насыщения. Отсюда становится понятно, почему одним из условий возникновения кипения (образования пузырьков пара) является перегрев жидкости. Объем пузырька увеличивается до тех пор, пока подъемная сила, стремящаяся оторвать его, не будет больше сил, удерживающих его на поверхности. Размер пузырька в момент его отрыва характеризуется отрывным диаметром. Оторвавшийся пузырь перемещается кверху, продолжая увеличиваться в объеме. На поверхности раздела жидкость – пар пузырек лопается.

Поскольку пузыри возникают, растут и отрываются на поверхности теплообмена, то они тем самым разрушают пограничный слой, который является основным термическим сопротивлением. Поэтому теплоотдача при кипении является высокоинтенсивным процессом. Для воды, например, коэффициент достигает (10 … 40) 10³ Вт/(м²×К).

В процессе кипения поверхность теплообмена контактирует частично с паровой, частично с жидкой фазой. Но , поэтому теплота в основном передается жидкой среде, т.е. идет на ее перегрев, и лишь затем перегретая жидкость испаряется с поверхности пузырей во внутрь их.

На рисунке приведена зависимость коэффициента от (перегрева жидкости).

Можно выделить следующие области кипения. При небольших температурных напорах теплоотдача определяется в основном условиями свободной конвекции, так как количество образующих пузырей невелико и они не оказывают существенного воздействия на пограничный слой – это область конвективного кипения I. В этой области коэффициент теплоотдачи пропорционален . С ростом перегрева жидкости все меньшая шероховатость может служить центрами парообразования, а это приводит к увеличению их числа, и, кроме того, увеличивается частота отрыва пузырей в каждом центре парообразования. Это вызывает усиление циркуляции в пограничном слое, вследствие чего теплоотдача резко возрастает. Наступает развитый пузырьковый режим кипения (область II). пропорционален .

С дальнейшим ростом температурного напора () число пузырей становится настолько большим, что они начинают сливаться, в результате чего все большая часть поверхности будет соприкасаться с паровой фазой, теплопроводность которой ниже, чем жидкости. Поэтому теплоотдача, достигнув максимума, начнет снижаться (переходный режим III) до тех пор, пока не образуется сплошная паровая пленка, отделяющая жидкость от поверхности нагрева. Такой режим кипения называется пленочным (область IV). В последнем случае коэффициент практически не зависит от .

На рисунке представлена экспериментально полученная [3] зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока

при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции.

Из рисунка следует, что с увеличением плотности теплового потока коэффициент теплоотдачи возрастает (участок О – А). Этот участок соответствует пузырьковому режиму кипения. При достижении

плотности теплового потока = Вт/м² коэффициент теплоотдачи резко уменьшается (линия А – Г) – пузырьковый режим сменяется пленочным. Участок Г–Д соответствует пленочному режиму. Явление перехода пузырькового режима кипения в пленочный называют

первым кризисом кипения (). При переходе от пузырькового режима к пленочному значительно возрастает перепад температур . Обратный переход от пленочного к пузырьковому кипению происходит при плотности теплового потока Вт/м² (линия Б – С), который примерно в 4 раза меньше . Явление перехода от пленочного кипения к пузырьковому называют вторым кризисом кипения (). Участок кривой А – Б характеризует переходный режим, здесь могут сосуществовать одновременно и пузырьковый и пленочный режимы на различных частях поверхности нагрева.

Расчетные формулы. Чаще всего на практике реализуется пузырьковый режим кипения. Расчет теплоотдачи при этом режиме можно проводить с помощью эмпирических уравнений, так как, несмотря на многочисленность факторов, влияющих на процесс, в конечном счете зависит от физических свойств жидкости (последние связаны с давлением насыщения ) и плотности теплового потока q (или ).

Для воды при давлении насыщения =1…40 бар [8]:

, или

, или

.

Последняя формула получена при = 1…200 бар. Приведенные формулы являются размерными, поэтому, чтобы получить значение коэффициента теплоотдачи [Вт/(м²×К)], необходимо подставлять

, бар; q, Вт/м².