1.4.2. Теплоотдача при кипении жидкостей

Теплоотдача при кипении жидкостей отличается высокой интенсивностью и часто встречается в промышленной технологии: выпаривание, перегонка жидкостей, испарители и т.д. Для возникновения кипения необходимо, чтобы температура жидкости была выше температуры насыщения и наличие центров парообразования (микроскопические впадины).

Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Кипение на поверхности обусловлено подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью. Кипение в объеме жидкости обусловлено наличием внутренних источников теплоты или значительного перегрева жидкости, возникающего, например, при внезапном снижении давления (ниже равновесного). Наиболее распространенным видом кипения является кипение на поверхности.

Рассмотрим кипение на поверхности.

Для передачи теплоты от стенки к кипящей жидкости необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения ∆T = T_ст – T_кип.

На рис. 1.12. показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки от температурного напора ∆T.

Рис. 1.12. Зависимость коэффициента теплоотдачи  и удельной тепловой нагрузки q

при кипении воды от температурного напора ΔT

В области АВ перегрев мал, мало активных центров парообразования, теплообмен определяется законами свободной конвекции около стенки,  ~ T^1/3. В области ВС перегрева больше, больше центров парообразования,  резко возрастает. Происходит турбулизация пограничного слоя около стенки. Пузыри, поднимаясь и увеличиваясь в объеме, увлекают значительные массы жидкости. На это место поступает новая порция жидкости, таким образом, реализуется циркуляция жидкости. Здесь  ~ T^2/3.

При ∆T ≥ T_кр происходит слияние близко образующихся пузырей. Если l < d пузырька, то на поверхности стенки образуется паровая пленка, создающая дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Такой режим кипения называется пленочным (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема пузырчатого кипения

Для воды

Рассмотрим движение пузырька. Достигнув определенного диаметра , пузырек отрывается от твердой поверхности

. (66)

Здесь  и _п – плотность соответственно жидкости и пара;  – краевой угол смачивания,  – коэффициент поверхностного натяжения. В момент отрыва пузырька сила поверхностного натяжения жидкости, которая удерживает пузырек, равна Архимедовой подъемной силе. Поднимаясь, пузырек увеличивается в объеме за счет испарения жидкости внутри пузырька, сплющивается и приобретает форму гриба. Гриб имеет сложную траекторию, дробится и коалесценцируется.

Таким образом, транспорт теплоты при пузырчатом кипении состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, а затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков в виде теплоты испарения. Передача теплоты от стенки непосредственно пузырю ничтожно мала. Для того, чтобы теплота от жидкости передавалась пузырькам пара, жидкость должна иметь Т несколько выше температуры пара. Поэтому жидкость несколько перегрета относительно температуры насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от физических свойств жидкости, давления, ∆T, свойств материала стенки и т.д.

Учесть все это трудно, трудно предлагать единую зависимость. Поэтому для определения  в литературе предлагаются различные физические модели. Но общепринятой модели нет. Формальный вид

= Aqⁿ, 0,6 < n < 0,7, (67)

где А – сложный комплекс многих величин, влияющих на интенсивность переноса теплоты при кипении. Иногда предлагают критериальное уравнение вида

, (68)

значения A, m, n обычно определяют экспериментально.