5.1. Теплообмін при кипінні

Кипінням називається процес інтенсивного пароутворення, яке відбувається у всьому об’ємі рідини, перегрітої відносно температури насичення, з утворенням парових бульбашок. Процеси кипіння знаходять своє застосування у теплоенергетиці, хімічній технології, атомній енергетиці та інших областях сучасної техніки.

Кипіння можливе по всьому температурному інтервалі, між потрійною і критичними точками для даної речовини.

Розрізняють кипіння рідини на твердій поверхні теплообміну, до якої ззовні підводиться теплота, і кипіння в об’ємі рідини.

Механізм теплообміну при кипінні відрізняється від механізму тепловіддачі при конвекції однофазної рідини наявністю додаткового переносу речовини і теплоти паровими бульбашками з пограничного шару в об’єм киплячої рідини.

Коментар_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _

Температура насичення - температура при якій пар речовини при певному парціальному тиску знаходиться в рівновазі з рідиною.

Парціальний тиск - гідростатичний тиск, який мав би компонент газової суміші, якби один займав об’єм, який дорівнює об’єму суміші при тій же температурі; чисельно рівний добутку тиску газової суміші на мольну долю даного компонента).

Потрійна точка - точка на діаграмі стану, що відповідає рівноважному співіснуванню трьох фаз даної речовини: твердої, рідкої і газоподібної.

Критична точка - точка на діаграмі стану одно-чи багатокомпонентних систем, яка характеризується критичними значеннями температури, тиску, густини і складу.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Розрізняють два основні режими кипіння: бульбашковий і плівковий.

Кипіння, при якому пара утворюється у вигляді окремих парових бульбашок,що періодично зароджуються, зростають і відриваються, називається бульбашковим.

Зі зростанням теплового потоку до деякого значення, окремі парові бульбашки зливаються, утворюючи біля поверхні теплообміну суцільний паровий шар, що періодично покриває об’єм рідини. Режим кипіння, який характеризується наявністю на поверхні плівки пари, покриваючої цю поверхню і що відокремлює її від рідини, називається плівковим кипінням.

Інтенсивність тепловіддачі при плівковому кипінні значно менша, ніж при бульбашковому.

Залежність густини теплового потоку від перегріву рідини

Рисунок 23. Крива залежності густини теплового потоку від перегріву рідини

При збільшенні температурного напору тепловий потік проходить через максимум.

Максимуму теплообміну передує конвективна область 1 (Рисунок. 23), що відповідає малим перегрівам рідини, і область розвиненого кипіння 3. Між ними знаходиться область нестійкого кипіння 2.

Вона характеризується малою густиною центрів пароутворення.

Пройшовши максимум, q поступово зменшується по мірі витискання бульбашкового кипіння плівковим. Після перехідної області 4 наступає режим стійкого плівкового кипіння. У цьому режимі на проміжку 5 лучисте перенесення теплоти відносно невелике, а на проміжку 6 воно набуває суттєвих значень.

Приведена крива не охоплює всіх можливих режимів кипіння. Так, при досконалій дегазації системи, а також при кипінні в умовах пониженого тиску може мати місце затягування режиму конвекції до високих перегрівів рідини (крива АБ).

Рисунок 24. До розгляду теплообміну при кипінні

Отже особливістю теплообміну при кипінні є утворення, зростання і відрив бульбашок пари на поверхні теплообміну, приток до місця відриву свіжих порцій рідини, що сприяє інтенсивному перенесенню тепла в приграничному шарі. Бульбашки, утворюються у місцях розрідження молекул (центрах пароутворення), якими є нерівності поверхні, заповнені газом чи паром. Тиск пари всередині бульбашки Pn більший, ніж тиск в навколишній рідині P_ж, на величину , що визначається за рівнянням Лапласа:

(137)

де - поверхневий натяг, а R - радіус бульбашки. Тому для забезпечення випаровування всередину бульбашки і його росту рідина в приграничному шарі повинна бути перегріта. Збільшення розміру бульбашки приводить до зменшення і, відповідно, перегріву. Тому кожному перегріву відповідає мінімальний радіус R_min, причому, якщо радіус зароджуваного бульбашки R<R_min, то пар всередині цієї бульбашки сконденсується.

Таким чином, центрами пароутворення будуть тільки ті нерівності, які забезпечують радіус R>R_min. Зі збільшенням перегріву рідини і тиску число центрів пароутворення росте і настає момент, коли біля поверхні утворюється суцільна парова плівка, яка є великим термічним опором, і описаний бульбашковий режим кипіння переходить у плівковий режим, який характеризується малими коефіцієнтами тепловіддачі. На рисунку 24 приведена залежність з якої видно, що максимальне значення досягається при критичному тепловому навантаженні , яке характеризує перехід до плівкового режиму (т. А на рисунку 24). Коефіцієнт тепловіддачі залежить від і розраховується, як правило, методом послідовних наближень по приведеним у літературі залежностям.

Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі під час бульбашкового кипіння

Для інженерних розрахунків коефіцієнт тепловіддачі під час кипіння чистих рідин і розчинів рекомендується критеріальне рівняння В.І. Толубинського:

(139)

де К – критерій кипіння,

(140)

_р – густина рідини,

_П – густина пари.

Це рівняння можна використовувати для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі під час кипіння у „великому” об’ємі й кипіння в трубах за умов природної циркуляції. Застосування формули передбачає необхідність ітераційних розрахунків, тому, що для визначення коефіцієнта тепловіддачі потрібно знати питомий тепловий потік, який у свою чергу, залежить від коефіцієнту тепловіддачі.