3.7. Теплоотдача при кипении

Тепловой поток, подводимый к кипящей жидкости, расходуется на процесс парообразования, что описывается соотношением:

Q  F t_c  t_s   G  r , (3.48)

где  – коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости; F – площадь поверхности теплообмена; t_c – температура поверхности; t_s – температу- ра насыщения жидкости; G – массовый расход пара; r – теплота парооб- разования.

Для возникновения кипения необходимы два условия:

1. Наличие перегрева жидкости относительно температуры на- сыщения;

2. Наличие центров парообразования, которыми могут служить

микрошероховатости поверхности нагрева, адсорбированные поверхно- стью пузырьки газа, твердые частицы.

Кипение может происходить во всем объеме жидкости или на твердой поверхности нагрева. В энергетических установках кипение, как правило, происходит на поверхности нагрева и может осуществ- ляться в условиях естественной конвекции (кипение в большом объеме)

или принудительной циркуляции.

Кипение может быть пузырьковым или пленочным. При пузырь- ковом кипении пар образуется в виде пузырьков, периодически зарож- дающихся около центров парообразования. Зародившийся паровой пу- зырек с минимальным (критическим) диаметром d_кр растет вследствие подвода теплоты до отрывного диаметра d_o, а затем отрывается от по- верхности нагрева и всплывает. Около освободившегося центра парооб- разования вновь зарождается паровой пузырек. Этот процесс периоди- чески повторяется с определенной частотой – частотой отрыва парового

пузырька f. Величина

_{паровых пузырей.}

^{w  d}_o ^f

характеризует среднюю скорость роста

При пленочном кипении, которое характеризуется большими пе- регревами t_c  t_s , у поверхности нагрева образуется паровая пленка,

отделяющая жидкость от поверхности. Теплопроводность пара значи- тельно меньше, чем жидкости, поэтому интенсивность теплообмена при пленочном кипении в десятки раз ниже, чем при пузырьковом.

Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик и режимных параметров процесса кипения.

К микрохарактеристикам относятся:

 минимальный (критический) диаметр парового пузырька d_кр;

^{ отрывной диаметр пузырька d}_o^;

 частота f и скорость роста w^ пузырьков. К режимным параметрам относятся:

_{ давление кипящей жидкости р;}

^{ перегрев жидкости t  t}_c ^{ t}_s ^;

_{ плотность теплового потока q;}

 скорость движения кипящей жидкости w.

_{Теоретически и экспериментально установлено, что с увеличени-}

_{ем p,}

_{t, q}

_{улучшаются все макрохарактеристики процесса кипения,}

увеличивается теплоотдача.

Теплоотдача при кипении зависит от свойств кипящей жидкости и возрастает:

 с увеличением коэффициента теплопроводности ;

 с уменьшением коэффициента поверхностного натяжения ;

 с уменьшением вязкости жидкости .

Влияние на теплообмен при кипении оказывают состояние по- верхности нагрева, ее материал, смачиваемость, количество адсорбиро- ванных газов и свойства греющей стенки. Теплоотдача возрастает с увеличением шероховатости поверхности, теплопроводности и толщи- ны греющей стенки. Все эти факторы влияют на число центров парооб- разования.

Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении практиче-

ски не зависит от формы и размеров теплоотдающей поверхности.

На рис. 3.10 приведена зависимость теплового потока от темпера- турного напора при кипении жидкости.

При подводе тепла к поверхности нагрева в условиях естествен- ной конвекции повышается температура поверхности t_c, теплоноситель воспринимает теплоту, нагревается и кипит. На рис. 3.10 выделены сле- дующие участки кривой кипения: 1 – конвективный теплообмен (нагрев

теплоносителя); 2 – конвективный теплообмен со слабым кипением жидкости; 3 – развитое пузырьковое кипение; 4 – переходная область от пузырькового кипения к пленочному; 5 – пленочное кипение; 6 – пле-

ночное кипение со значительным лучистым теплообменом через паро- вую пленку.

_{Рис. 3.10. Кривая кипения}

При максимальном значении теплового потока

^q_кр

наступает кри-

зис кипения, который заключается в изменении режима кипения.

При кипении жидкостей на горизонтальной плоской поверхности в условиях естественной конвекции критическая плотность теплового потока рассчитывается по формуле

q_кр  0.14r

_п ⁴  g _ _ж  _{п } , (3.49)

где

^_п ^{, }_ж

– плотность пара и жидкости при температуре насыщения t_s;

 – коэффициент поверхностного натяжения.

Постепенный переход пузырькового режима в пленочный, осуще- ствляемый на участке СВ (см. рис. 3.10) на практике реализуется при высоких значениях температуры поверхности t_c тепловыделяющих эле- ментов (технологических каналов) ядерных реакторов и высоких плот- ностях теплового потока.

При электрическом обогреве поверхности или радиационном (в электронагревателях, ядерных реакторах, паровых котлах) переход пу- зырькового кипения в пленочное происходит скачкообразно (линия CD рис. 3.10) и может сопровождаться сильным перегревом и разрушением поверхности нагрева. Поэтому в высокоэнергетических установках с кипением теплоносителя не допускают критических плотностей тепло- вого потока. При р = 0.1 МПа для водяного пара q_кр = (1.1 ÷ 1.6) МВт/м². С увеличением давления до  7 МПа значение q_кр возрастает до

4 МВт/м², а затем начинает уменьшаться [3].

Сложные явления, наблюдающиеся при пузырьковом кипении, не дают возможности составить полную физическую модель процесса и дать ее полное математическое описание.

Для пузырькового кипения жидкости в условиях естественной конвекции (в большом объеме) предложен ряд формул для определения коэффициентов теплоотдачи. Например, формула, предложенная

_{Д.А. Лабунцовым, которая с максимальным отклонением}

_{ 35 %}

_отра-

жает экспериментальные данные многих исследований по кипению раз- личных жидкостей в самых разнообразных условиях, имеет вид:

_

_ ²

_{  B } ^ж

_{1 / 3}



_

_q^{2 / 3} _{, (3.50)}

_ ^ _ж^{ T}_{s }

_

_{2 / 3}

 

_

_где



_{B  0.075 1  10 } ^п

_{  ; , ж, }

_{ж, ж}

_{– коэффициент поверх-}

_ ^_ж ^{ }_{п }

ностного натяжения, теплопроводность, вязкость, плотность жидкости при t_s; _п – плотность пара при t_s: q – плотность теплового потока, под- водимого к поверхности нагрева.

Для водяного пара формула (3.50) в диапазоне давлений

_{р = (0.1  20) МПа имеет вид:}

_{где р – давление, бар.}

_{3.4 p}^0.18

_{  q}^{2 / 3} _{, (3.51)}

^{1  0.0045 p}

Подстановка

^{q   t}_c ^{ t}_s ^{ в формулу (3.51) дает формулу для рас-}

чета коэффициента теплоотдачи:

_0.54

_{ } ^{39.3 p} _t ² _{. (3.52)}

(1  0.0045 p)³

В практических расчетах пользуются эмпирическими зависимо- стями коэффициента теплоотдачи от режимных параметров. Например, для водяного пара в диапазоне давлений р = (0.1  4.0) МПа пользуются расчетными формулами:

_{  3q}^0.7 _p^0.15 _,

_{  38.7t} ^2.33 _p^0.5 _{. (3.53)}

При вынужденном течении кипящей жидкости в каналах на ин- тенсивность теплообмена влияет соотношение процесса кипения и вы- нужденной конвекции. Если скорость вынужденного течения теплоно- сителя мала, то интенсивность теплоотдачи определяется наличием дей- ствующих центров парообразования, т. е. процессом кипения. При больших скоростях вынужденное течение подавляет влияние кипения. Значение коэффициента теплоотдачи при вынужденном течении кипя-

щей жидкости в каналах определяется в зависимости от соотношения между значениями  _q , рассчитанным по одной из формул (3.50)–(3.53),

^{и } _w ^{, рассчитанным по формулам конвективного теплообмена при вы-}

_{нужденном течении однофазной жидкости в трубах и каналах.}

При

^ _q ^/ _w ^{ 0.5}

^{  } _w ^{, при}

^ _q ^/ _w ^{ 2}

^{  } _q ^{. Если}

^{0.5  } _q ^/ _w ^{ 2 , то следует воспользоваться интерполяционной форму-}

_{лой   }

_{4 w   q}

_.

w

^w _5

  _q