ТЕПЛООБМЕН ПРИ кипении

и паровой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.
Процесс

характеризуется возникновением пузырьков пара. Различают кипение в объеме жидкости и на твердой поверхности теплообмена.

Кипение на твердой поверхности возникает, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

насыщения при данном давлении. При этом процесс может происходить из-за

быстрого снижения давления или наличия в жидкости внутренних источников теплоты.
В теплоэнергетике обычно встречаются процессы кипения на твердой поверхности. В этом случае теплота от поверхности передается пограничному слою, а от него – массе жидкости и образующемуся пару. В пограничном слое жидкость перегрета на величину:

в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках

этой поверхности, которые называются центрами парообразования. Центрами парообразования являются преимущественно неровности самой поверхности, а также выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте образуются новые пузырьки.

Если кипящая жидкость хорошо смачивает поверхность, то пузырек пара легко

отрывается. Режим, при котором рост пузырьков до отрыва и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, называется пузырьковым кипением. При пузырьковом кипении резко возрастает теплоотдача поверхности теплообмена.
Если жидкость недогрета, то образующиеся на поверхности пузырьки сразу после отрыва конденсируются.

поверхности. В этом случае перемешивание пристенного слоя достаточно слабое. В

результате теплоотдача происходит только за счет свободной конвекции, а процесс называется поверхностным или конвективным кипением.
При увеличении температурного напора или плотности теплового потока число центров парообразования увеличивается. Когда их количество существенно возрастает, то образуется сплошной паровой слой. Периодически этот слой разрывается, и часть пара прорывается в объем кипящей жидкости. Режим кипения с пленкой пара на поверхности называется пленочным кипением.

большое термическое сопротивление.
Например, при

для воды , а для водяного пара Вт/(м∙К).

Теплоотдача от поверхности к жидкости резко уменьшается, а температурный напор резко возрастает. Коэффициент теплоотдачи резко снижается. Если при этом тепловой поток и температура жидкости остаются неизменными, то, как следует из уравнения:


резко возрастает температура стенки, что может привести к пережогу стенки и аварии.

параметров процесса. Микрохарактеристики – это критический радиус пузырька, скорость его

роста, отрывной диметр, частота отрыва.

Критический радиус пузырька

имеет порядок размера неровности на поверхности теплообмена и определяется из условий термодинамического и механического равновесия паровой и жидкой фаз.

давления пара внутри него

– минимальный размер пузырька в момент зарождения.

Для возникновения пузырька необходимо, чтобы сила

действующих на паровой пузырек. Это сила давления окружающей жидкости и

сила поверхностного натяжения поверхности пузырька :

пузырек может существовать и развиваться, а при

пузырек конденсируется.

Образование пузырька с критическим радиусом

возможно лишь в том случае, если окружающая среда перегрета, т.е. если ее температура

(1)

жидкости
на некоторую величину
Температура пара
в пузырьке с критическим
радиусом

должна равняться температуре окружающих слоев жидкости

может быть определена как температура насыщения, соответствующая давлению пара внутри пузырька

быть определена из уравнения Клайперона-Клаузиуса с учетом зависимости

находящегося вдали от поверхности нагрева в объеме жидкости. Слои жидкости,

соприкасающиеся с поверхностью, имеют температуру, равную температуре стенки

.

(2)

Подставляя (2) в (1, можно определить критический радиус пузырька:

(3)

жидкости, определяется по формуле
объем и площадь поверхности пузырька.
–

работа образования межфазной поверхности с площадью

Чем меньше работа

т.к. вероятность пропорциональна работе:

, тем больше вероятность вскипания,

(4)

(5)

с учетом (4) примет вид:
(6)

и
или меньше
, тем меньше работа
Т.е. вероятность

начала вскипания перегретой жидкости в объеме увеличивается по мере увеличения перегрева. Минимизация работы

способствует

образованию пузырьков.

Отличие кипения на поверхности от объемного заключается в том, что паровой пузырек, кроме межфазной поверхности будет иметь поверхность раздела с твердым телом, на котором молекулярное сцепление ослаблено. Следовательно, слагаемое в выражении

становится и полная работа, а вероятность появления пузырьков увеличивается.
Если жидкость

смачивает поверхность (рис), то краевой угол имеет значения

и не смачивает –

.

Рис. Схема возникновения пузырьков на поверхности нагрева

и основания пузырька
Найдем работу образования новых поверхностей раздела при

появлении такого пузырька на поверхности теплообмена. Считаем, что до появления пузырька участок

омывался жидкостью. Поверхностная энергия

После появления пузырька образовалась поверхность

и была затрачена работа

.

на этом участке составит

На поверхности

паром, на что потребовалась энергия

произошло замещение жидкости

Из рис.
Опуская индексы, получим работу образования новых поверхностей и

новых пузырьков в объеме жидкости

(7)

поверхности пузырька, на которой пар соприкасается с поверхностью нагрева. Это

отношение зависит от формы элемента шероховатости. Работа образования граничных поверхностей будет тем меньше, чем больше отношение и чем больше значение краевого угла . Таким образом, наиболее вероятными местами возникновения пузырьков на поверхности будут элементы шероховатости в виде углублений, впадин и т.п. Снижение давления приводит к уменьшению модуля первого слагаемого правой части уравнения (7), т.е. увеличению работы на образование пузырьков. Следовательно, при уменьшении давления начало парообразования сдвигается в область более высоких перегревов жидкости.

способ обогрева поверхности теплообмена, давление, скорость принудительной циркуляции жидкости.
Рассмотрим процесс

теплообмена при кипении жидкости. Пусть тепловой поток от поверхности воспринимается жидкой фазой. Передачей теплоты от поверхности непосредственно перовой фазе пренебрегаем. Рассматриваем однокомпонентную смачивающую жидкость

:

с постоянными теплофизическими свойствами

Считаем, что размер поверхности теплообмена во много раз больше размеров

паровых пузырьков. Тогда система дифференциальных уравнений, описывающих температурное поле в жидкой фазе, включает в себя уравнение энергии, движения и неразрывности:

(8)

(9)

(10)

пузырька. Уравнение движения пузырька определяется из условия равновесия подъемной силы

и силы гидравлического сопротивления:

текущее значение диаметра пузырька;

– относительная скорость подъема пузырька

- коэффициент лобового сопротивления

(3):

;

Постоянные
и
определим из граничных условий:

;

(8)

(9)

может быть определена:

Подставляя (10) в (8), получим:
(10)
(10)

из (12) определим
:
(12)
(13)

за счет теплопроводности, и затрачиваемого на испарение жидкости внутри пузырька:

dF – элемент поверхности пузырька.

нормаль к внешней поверхности парового пузырька;

действует конечное число

центров парообразования.

, где

– отрывной диаметр.

В реальных условиях на единице поверхности

При этом

жидкости на свободной поверхности равна температуре насыщения. Анализ системы дифференциальных

уравнений и условий однозначности методами теории подобия позволяет получить уравнение:

:

отрывной диаметр

при постоянном значении

краевого угла пропорционален капиллярной постоянной

, которая имеет размерность длины.

(14)

температурного напора
Поэтому безразмерные величины в формуле (14)
на
, получим:
можно

изменить. Заменяя

плотностей
фазы. Имеет размерность длины, пропорционален критическому радиусу
жидкой и паровой

фаз. Число Якоба характеризует соотношение энтальпии перегрева жидкости и теплоты парообразования. Тогда выражение (14) представим в виде:

Безразмерные комплексы

определяют число

действующих центров парообразования и частоту отрыва пузырьков в этих центрах.

(15)

и ориентации теплоотдающей поверхности при условии свободного отвода пузырьков, т.е.

ускорение поля тяжести не должно оказывать существенного влияния на теплоотдачу.
Если считать, что теплоотдача автомодельна относительно ускорения свободного падения, то (15) упрощается к виду:

где

Основным термическим сопротивлением является поверхностная пленка жидкости под паровыми пузырьками. Толщина ее увеличивается с увеличением

(16)

этих эффектов.
Число
Коэффициент теплоотдачи при кипении насыщенной и недогретой жидкости

выражается одинаково:

Уравнение (16) является основой для обобщения многочисленных экспериментальных данных (при

):

(17)

поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения

плотности жидкости и пара

при температуре насыщения

;

абсолютная температура насыщения, K;

характерный линейный размер паровой фазы.