7. Теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости

Опыт показывает, что температура кипящей жидкости всегда несколько выше температуры кипения t_s. Она остается почти постоянной в направлении от свободного уровня к поверхности теплообмена (рис. 14) и лишь в слое толщиной 2 – 5 мм у самой стенки резко возрастает. Следовательно, в прилегающем к стенке слое жидкость перегрета на Δt=t – t_s; эта величина называется температурным напором.

Рис. 14. Кривая распределения температуры в жидкости при пузырьковом кипении

В начале кипения -область А (Рис. 15) при Δt = 0 - 5 ºС, q= 100 – 5600 Вт/м² значение коэффициента теплоотдачи невелико и определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости.

При дальнейшем кипении и повышении Δt значения коэффициентов теплоотдачи и q резко увеличиваются и при Δt =25 ºС достигают своего максимального значения: α_кр=5,85·10⁴ Вт/(м²·К), q_кр=1,45·10⁶Вт/м². Эту область, обозначенной на рис. 15 буквой В, называют областью пузырькового кипения.

Рис. 15. Зависимость плотности теплового потока q и коэффициента

теплоотдачи α от температурного напора при кипении воды при атмосферном давлении

Последующее повышение Δt приводит к еще более интенсивному

процессу образования пузырьков на твердой поверхности. Сливаясь затем между собой, они образуют общую паровую пленку. Образование паровой пленки приводит к резкому снижению интенсивности теплообмена между поверхностью и жидкостью, вследствие большого термического сопротивления пленки. Эта область, обозначена на рис. 15 буквой С и называется переходной областью. Следует отметить, что паровая пленка в этой области неустойчива.

При дальнейшем увеличении перепада температур образовавшаяся на поверхности пленка становится устойчивой, интенсивность теплообмена продолжает падать. При некотором значении перепада температур процесс теплообмена стабилизируется, а коэффициент теплоотдачи имея при том минимальное значение, не зависит от перепада температур. Эта область обозначена на рис. 15 буквой D и называется областью пленочного кипения.

В практических расчетах пузырькового кипения воды удобно пользоваться следующими уравнениями:

(141)

(142)

Зависимости (141) и (142)действительны в диапазоне давлений от 0,1 до 5 МПа.

При пузырьковом кипении фреона 12 в диапазоне температур от – 40 до 10 ºС для определения α рекомендуется формула

(143 )

При кипении фреона 11 может быть использована зависимость

(144)

В этих уравнениях q – в Вт/м², р – в МПа, коэффициент теплоотдачи – Вт/(м²·К). При вынужденном турбулентном движении кипящей жидкости в трубах теплоотдача осуществляется по-разному. Если обозначить коэффициент теплоотдачи, полученный по формуле (141), α_q, а коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по уравнению подобия для однофазной жидкости (130 ), α_w, то, как показывают опыты, при α_q /α_w<0,5 коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении движущейся воды в трубе α=α_w а при α_q/α_w>2; α=α_q. В области 0,5 ≤ α_q/α_w ≤2 коэффициент теплоотдачи определяют по формуле

(145)

При пленочном кипении средний коэффициент теплоотдачи определяется следующим образом:

на вертикальной поверхности

, (146)

где λ_п – коэффициент теплопроводности пара при температуре насыщения;

μ_п – динамический коэффициент вязкости пара при температуре насыщения; h – высота стенки,

на горизонтальном цилиндре

, (147)

где d – наружный диаметр цилиндра; ρ – плотность жидкости при температуре насыщения.