Расчёт кипения в большом объёме

Явление кипения – сложное, процессы носят нестационарный (при постоянных внешних условиях – квазистационарный) и случайный (стохастический) характер. Кроме того, они зависят от большого числа характеристик, многие из которых бывают точно неизвестны или могут меняться в ходе процесса (состояние поверхности, наличие на ней загрязнений, газов, а также растворенных газов и солей в жидкости и т.п.). Поэтому многие формулы, несмотря на сложность, носят ориентировочный, усреднённый характер.

В то же время обычно и не требуется точное знание всех деталей процесса. К числу основных можно отнести следующие вопросы.

1. Количество образующегося пара при определённом тепловом потоке (в установившемся режиме) –

,

где – расход отводимого с поверхности пара, кг/с;

– подводимый через стенку тепловой поток, Вт;

– теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг.

Это точная формула из термодинамики, если не учитывает затраты теплоты на подогрев жидкости и перегрев пара (и потери).

Замечание. а) Обычно более или менее точно бывает известно заранее, до расчёта кипения (например, нагрев ТЭНом или высокотемпературными продуктами сгорания).

б) При помощи этой зависимости можно, например, определить время выкипания заданного объёма жидкости или протяжённость участка кипения при течении в трубе.

2. Определение режима кипения, то есть сопоставление с , в частности, для обеспечения устойчивого пузырькового режима с высокими характеристиками.

Величина зависит, кроме свойств жидкости и ускорения свободного падения, также от шероховатости и ориентации поверхности (у вертикальной значения больше), а также от давления (при умеренных давлениях растёт с ростом ). Формулы имеются в справочниках. Например, полученная теоретически формула С.С.Кутателадзе

,

где – безразмерная постоянная; – плотности пара и жидкой фазы (напр., воды). Согласно этому, для воды достигает максимальных значений в (3÷3,5)∙10⁶ Вт/м² при давлениях порядка (60÷100)∙10⁵ Па.

3. Определение температурного напора и температуры стенки для уточнённого расчёта теплообмена.

Как уже отмечено, связь между и выражают через обычное соотношение Ньютона . Уравнения для коэффициента теплоотдачи общего вида довольно сложные и включают много параметров.

Для воды в диапазоне давления Па принимают (где – в барах), откуда легко найти , то есть .

4. Специальные вопросы – размер и частота отрыва пузырьков, скорость их всплытия и роста в объёме жидкости и т.д.

Имеется много моделей и формул теоретического и эмпирического характера, которые при необходимости, можно найти в учебниках и справочниках.

Кипение при вынужденном движении жидкости в трубах

Такое кипение имеет место в водотрубных котлах (парогенераторах), которые применяются, в частности, на ТЭС.

Особенности

1. Иногда надо учитывать, что температура насыщения может меняться вдоль трубы вместе с давлением (вследствие гидросопротивления).

2. При кипении растёт паросодержание вдоль трубы, и, следовательно, увеличивается скорость, меняется структура потока по длине и поперечному сечению трубы.