Основные представления о процессе кипения

А. Режимы кипения

 

Кипением называется процесс интенсивного парообразования на греющей поверхности или во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько превышающей ее, с образованием паровых пузырей. В процессе кипения поглощается теплота парообразования, поэтому процесс кипения всегда связан с подводом теплоты к кипящей системе.

Чаще всего кипение происходит на твердой поверхности и реже в объеме жидкости (при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения).

Механизм теплообмена в кипящей жидкости отличается от теплообмена однофазной жидкости, поскольку при кипении паровыми пузырями переносится дополнительное количество теплоты и массы вещества, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Для возникновения процесса кипения необходимы два условия:

1) перегрев жидкости относительно температуры насыщения ;

2) наличие центров парообразования.

Различают два режима кипения:

1) пузырьковый;

2) пленочный.

Режим кипения, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся газовых пузырей называется пузырьковым. С увеличением теплового потока отдельные пузырьки сливаются, образуя сплошной паровой слой, который периодически прорывается сквозь слой жидкости.

 

 

 

Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, которая обволакивает эту поверхность и отделяет ее от жидкости, называется пленочным.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме кипения меньше, чем при пузырьковом.

Б. Минимальный радиус пузырька

Стадии процесса парообразования:

1) зарождение пузырьков на поверхности нагрева ();

2) рост пузырьков и их отрыв при диаметре ;

3) движение пузырьков в объеме жидкости.

Минимальный размер парового пузырька в момент зарождения называется критическим радиусом . Этот размер соответствует размеру неровностей на поверхности, которые являются центрами парообразования.

Критический радиус определяется из условия термодинамического равновесия фаз.

 Для возникновения и существования парового пузырька необходимо, чтобы сила давления пара Р₁ внутри пузырька была не меньше суммы всех внешних сил, действующих на него, т. е силы давления жидкости и силы поверхностного натяжения. После несложных преобразований можно получить, что

 

,

где – теплота парообразования, ;

– температура насыщения, ;

 - сила поверхностного натяжения жидкости, ;

 - плотность пара, .

  Из формулы видно, что при увеличении степени перегрева  или давления критический радиус   уменьшается и увеличивается общее число центров парообразования. В результате происходит интенсивное перемешивание жидкости в пограничном слое и увеличение теплоотдачи.

 

В. Отрывной диаметр пузырька

Паровой пузырек, зародившись на стенке, растет до некоторого размера – диаметра , при котором он отрывается. Этот размер называется отрывным диаметром.

 В статистических условиях отрывной диаметр парового пузырька  определяется из условий равновесия между подъемной силой, которая стремится оторвать пузырек от поверхности и силой поверхностного натяжения, удерживающей его на твердой поверхности.

В момент отрыва пузырек обычно деформирован, и форма его отклоняется от сферической. Поэтому под отрывным диаметром понимают эквивалентный диаметр .

Схема роста парового пузыря

 

q - угол смачивания.

q < 90 –жидкость смачивает поверхность;

q > 90 – жидкость не смачивает поверхность.

.

Из формулы следует: чем хуже смачиваемость (чем больше q), тем больше отрывной диаметр . В этом случае увеличивается доля поверхности нагрева, экранированная основаниями пузырьков, жидкость как бы оттесняется от поверхности и интенсивность теплоотдачи уменьшается.

 

Г. Кривая кипения

Кривая кипения – это кривая, показывающая зависимость теплового потока от степени перегрева жидкости.

,

где .

Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока от перегрева жидкости.

 

 

Кривая кипения имеет шесть характерных областей.

1) конвективная область – область, соответствующая малым перегревам жидкости ;

2) область неустойчивого кипения – область, которая характеризуется небольшим количеством центров парообразования ;

3) область развитого пузырькового кипения;

4) переходная область – область, в которой тепловой поток  постепенно снижается по мере вытеснения пузырькового кипения пленочным ;

5) устойчивое пленочное кипение, лучистый перенос теплоты относительно невелик;

6) пленочное кипение, лучистый перенос теплоты приобретает существенное значение.

При кипении в условиях пониженных давлений режим конвективного кипения может затягиваться до высоких перегревов жидкости (линия А-Б).

А при кипении несмачивающих жидкостей пленочный режим может наступить при малых перегревах (линия В-Г).

 

Д. Влияние некоторых факторов на интенсивность теплоотдачи при кипении

 

1. Влияние недогрева жидкости.

Кипение с недогревом (поверхностным кипением) называется кипение у поверхности теплообмена, при котором вдали от нее жидкость недогрета до температуры насыщения.

 

Чем больше недогрев жидкости, тем меньше область, охваченная кипением. Образующиеся на поверхности пузырьки сразу конденсируются, и процесс кипения ограничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости у поверхности.

В этом случае наблюдается поверхностное (конвективное) кипение.

Двухфазное состояние – лишь в пристенной области.

Коэффициент теплоотдачи  меньше, чем при кипении перегретой жидкости, но более высокий по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

 

2. Влияние давления и теплофизических свойств

 

а. Влияние давления

При увеличении давления уменьшается поверхностное натяжение  и уменьшается отрывной диаметр пузырьков (согласно , интенсивность теплоотдачи растет).

б. Влияние коэффициента теплопроводности жидкости

С увеличением коэффициента теплопроводности жидкости теплоотдача повышается, так как основной поток теплоты от стенки воспринимается жидкой, а не паровой фазой. Уменьшается термическое сопротивление микрослоя жидкости, находящейся под паровым пузырьком.

 

в. Влияние вязкости жидкости

С увеличением вязкости жидкости теплоотдача падает, так как уменьшается интенсивность перемешивания жидкости, обусловленная парообразованием.

  Высота слоя жидкости над поверхностью теплообмена может оказывать влияние на теплоотдачу при небольших их уровнях, соизмеримых с размерами паровых пузырьков.

 

 

КРИЗИСЫ КИПЕНИЯ

А. Первый кризис кипения

Кризисами теплоотдачи при кипении жидкости называются процессы, связанные с коренным изменением механизма теплоотдачи.

Кризисы, которые наблюдаются в начале перехода пузырькового кипения в пленочное или в начале обратного перехода от пленочного кипения к пузырьковому – называются кризисами рода.

Первый кризис кипения наблюдается в начале перехода от пузырькового к пленочному кипению. Этот переход носит черты кризиса. В момент смены режимов кипения наблюдаются внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности. 

 

 

 

После  даже при малом увеличении тепловой нагрузки слой паровых пузырьков превращается в сплошную паровую пленку, которая оттесняет жидкость от поверхности нагрева. Механизм теплоотдачи резко меняется, т.е. возникает кризис.

Максимальная тепловая нагрузка при пузырьковом кипении называется первой критической плотностью теплового потока и обозначается .

Критическая плотность теплового потока при кипении жидкости в большом объеме зависит от рода кипящей жидкости, давления, состояния поверхности, условий ее смачивания, а также наличии в жидкости примесей и поверхностно-активных добавок.

Температурный напор в момент достижения  (т. е напор, соответствующий точке максимума  на кривой кипения) называется критическим температурным напором .

Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения:

.

 

Критические тепловые потоки и температурные напоры (первый кризис кипения при атмосферном давлении).

 

Критический параметр	Жидкость
	1200	150	100	30
	25-30	11	11	2

 

В основу определения первой критической плотности теплового потока положена гидродинамическая теория кризисов, предложенная С.С. Кутателадзе, согласно которой кризис наблюдается в результате потери динамической устойчивости двухфазного потока вследствие того, что пар отбрасывает жидкость от поверхности теплообмена.

Кутателадзе С.С. получил расчетное уравнение для :

; .

Формула описывает опытные данные для неметаллических теплоносителей в условиях большого объема при свободной конвекции жидкости с малой вязкостью.

 - критерий устойчивости.

 Он характеризует меру отношения энергии динамического потока пара к энергии, необходимой для ускорения частиц жидкости, отбрасываемых от стенки, до скорости основного потока. При вынужденной конвекции его величина зависит от скорости.

При кипении жидкости в условиях вынужденного движения внутри труб критический тепловой поток зависит еще от скорости и паросодержания.

 

Б. Второй кризис кипения  

Когда тепловая нагрузка на поверхности нагрева задана и не зависит от условий теплообмена, обратный переход от пленочного режима кипения к пузырьковому происходит при минимальной тепловой нагрузки _.

Этот переход также носит кризисный характер: паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности скачкообразно снижается.

Минимальная тепловая нагрузка при пленочном режиме кипения жидкости называется второй критической плотностью теплового потока и обозначается . А соответствующий ей температурный напор, отвечающий точке минимума  на кривой кипения, есть .

Значение  при кипении насыщенной жидкости в большом объеме существенно меньше, чем .

 

,

 

где  - эмпирический коэффициент.

При свободной конвекции: .

Вторые критические нагрузки зависят от рода жидкости, размеров поверхности, давления, шероховатости поверхности и др.

Для воды при атмосферном давлении  (кипение на поверхности горизонтальных труб).

В зависимости от диаметра труб  изменяется по закону:

.

  Критическая приведенная скорость парообразования  пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей пара:

 

.

ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ