Кипение в большом объёме Общая картина процесса

Рассмотрим типичную картину кипения достаточно большого объёма жидкости при умеренных тепловых нагрузках. Пусть поверхность нагрева горизонтальна и находится под слоем жидкости. Описываемый случай можно наблюдать, например, при кипении воды в кастрюле на кухонной плите.

В тонком пристенном слое жидкость перегрета (рис. …). На поверхности нагрева (стенке) в центрах парообразования возникают пузырьки. Они быстро растут, отрываются и поднимаются к поверхности жидкости, продолжая расти, а на стенке образуются новые. Около 95% пара образуется во время подъёма и только 5% – на стенке (то есть диаметр пузырьков при подъёме увеличивается примерно в 2,5 раза).

Процесс сопровождается усиленным перемешиванием, что способствует высокому теплообмену (по сравнению, например, со свободно-конвективным теплообменом без кипения при том же температурном напоре и прочих равных условиях).

При анализе процесса и расчётах за температурный напор следовало бы принимать (разность температур стенки и жидкости в основном объёме), но ввиду близости и для упрощения обычно принимают . А в качестве основного расчётного соотношения по-прежнему используют уравнение Ньютона (К1) , хотя в этом случае, как будет показано ниже, коэффициент теплоотдачи очень сильно зависит от (поэтому его применение в этом случае представляется не столь убедительным, как в случае вынужденной конвекции).

Температурная кривая и режимы кипения

Под температурной кривой (кривой кипения) здесь подразумевается зависимость плотности теплового потока через нагревающую поверхность от температурного напора .

Случай фиксированной температуры стенки

Будем рассматривать установившийся процесс кипения, причем в экспериментах имеется возможность задавать и строго поддерживать определённую температуру стенки , то есть температурный напор , и измерять соответствующее значение .

При небольших пузырьков образуется мало, теплоотдача происходит, в основном, за счёт свободной конвекции. Соответственно, растёт с ростом примерно как при свободной конвекции. Это конвективный режим кипения – зона на графике кривой (рис. …). Для воды в обычных условиях в этой зоне до 5 К в точке , при этом до 6000Вт/м².

Далее, с ростом растёт и число центров парообразования, и частота отрыва пузырьков. С возмущением пограничного слоя сильно растут и – наступает режим развитого пузырькового кипения – зона на графике, продолжающаяся до , в точке , где достигает локального максимума. Для воды при обычном давлении К, Вт/м². Вместе эти два режима ( ) называются пузырьковым кипением.

При дальнейшем увеличении пузырьков на стенке образуется так много, что они там местами начинают сливаться в плёнку пара, отделяющую жидкость от стенки. От плёнки отделяются сразу большие пузыри пара, разрушая её, но она образуется вновь. Плёнка резко уменьшает теплоотдачу, из-за этого и уменьшаются – это переходный режим, зона на графике.

Рис.

Когда при (точка ) плёнка пара покрывает всю стенку, условия теплоотдачи стабилизируются, и далее растёт с . То есть значение даёт локальный минимум, а при имеет место режим устойчивого плёночного кипения – зона . Иногда в области очень высоких температур выделяют ещё зону , где существенна роль лучистого теплообмена.