Случай фиксированного . Кризисы кипения.
Выполнить указанное выше условие задания и строгого поддержания величины напора физически возможно, но иногда сложно, особенно в зоне переходного режима. На практике чаще реализуется случай заданной плотности теплового потока (электронагрев, нагрев за счёт ядерных реакций) или близкий к этому режим нагрева (обогрев стенки раскалёнными топочными газами, тепловым излучением и т.п.). Поэтому будем теперь считать, что в экспериментах задается и поддерживается величина , а соответствующее ей значение напора измеряется.
В
этом случае сначала с ростом
в зонах
и далее
значения
также растут, описывая ту же кривую
(рис.
…), пока не
будет достигнута точка
с
,
.
Но увеличивать значение
дальше по кривой непрерывно нельзя (так
как
– локальный максимум
).
С физической точки зрения при хотя бы
небольшом увеличении
на стенке начнут появляться участки
пленочного кипения. А так как плотность
теплового потока через стенку фиксирована,
то при этом под плёнкой пара, плохо
проводящей тепло, резко растёт температура
стенки – происходит быстрое увеличение
площади плёнки и в результате переход
сразу в режим развитого плёночного
кипения со скачкообразным ростом
.
Это явление называется кризисом
кипения. На
графике это соответствует “перескоку”
I
кривой из точки
с
,
сразу на участок плёночного кипения в
.
Рис.
Далее
с ростом
будет непрерывно расти
по участку
кривой. Если же затем в режиме плёночного
кипения уменьшать
,
напор
будет уменьшаться по участку
вплоть до точки
,
где
,
.
Тогда плёнка пара настолько утончается,
что где-то появляется контакт жидкости
со стенкой, при этом происходит резкое
охлаждение стенки, площадь контакта
очень быстро растёт, и процесс скачком
переходит в режим пузырькового кипения
– “перескок” II
на кривой из точки
в
– тоже кризис кипения.
Таким
образом, при одной и той же интенсивности
нагрева
в интервале
может устойчиво существовать любой из
режимов –
(пузырькового) или
(плёночного) кипения, в зависимости от
истории процесса. Переходный
режим
при фиксированном
неустойчив и не может быть осуществлён.
Из
сказанного видно, что на плёночном
режиме кипения имеет место высокая
температура стенки (соответствующее
термическое разрушение стенки называется
пережог).
Поэтому в промышленных аппаратах обычно
используют режим пузырькового кипения
,
.
Но для повышения эффективности стараются
брать эти параметры высокими, насколько
возможно с точки зрения безопасности
работы.
В качестве примеров устройств с пузырьковым кипением можно привести различные парогенераторы, перегонные аппараты и др.
Плёночное кипение встречается в устройствах для охлаждения, например, при испарении хладоагента в холодильных установках, при охлаждении камер сгорания и сопел ЖРД (жидкостно-реактивных двигателей) и т.п. Особое место занимает кипение в некоторых технологических процессах, типа закаливания стальных или других изделий.
Специальные случаи кипения
1.
Образование пузырьков пара, то есть по
определению кипение, возможно и при
температуре
жидкости в основном объёме, не достигающей
температуры насыщения
(то есть при
),
если температура
нагревающей поверхности достаточно
велика:
.
Такой режим называется кипением
с недогревом.
Но при этом образующиеся на горячей
стенке пузырьки, отделяясь от неё, быстро
конденсируются в основном объёме
жидкости. То есть пузырьки существуют
только в тонком слое горячей жидкости
у поверхности нагрева – поэтому этот
режим называют также поверхностным
кипением.
2. Для несмачивающих
стенку жидкостей пленочный
режим кипения
может наступать при малых перегревах,
сразу после конвективного
(рис. ). При этом кривая кипения
не имеет максимума
(точка
)
и, соответственно, участка спада
с переходным режимом, оставаясь монотонно
возрастающей на всех режимах. Поэтому
даже в случае задаваемого и поддерживаемого
значения
кризисы кипения отсутствуют.
Впрочем, случай кипения жидкости, несмачивающей стенку, является особым (пример – кипение ртути). Обычно в энергетике кипящий теплоноситель – смачивающая жидкость (например – вода на металле).