5.4. Теплоотдача при кипении

Теплоотдача при кипении представляет собой конвективный процесс с фазовым переходом жидкости в пар. Механизм такого процесса су­щественно сложнее чисто конвективного теплообмена. Существует два вида кипения: кипение в большом объеме и кипение при вынужден­ном течении жидкости (также называемое кипением при кон­векции).

Испарение при естественной конвекции

Пузырча­тое кипение

Пленочное кипение

Точка крити­ческого тепло-/Вого потока

Точка пере­горания

Рис. 5.1. Типичная кривая изменения теплоотдачи прн кипении жидкости в большом объеме

При кипении в большом объеме теплоотдача происходит от поверх­ности нагрева к непроточной жидкости, в то время как в случае кипе­ния при конвекции теплоотдача осуществляется между горячей стенкой и движущейся жидкостью, смешанной с паром (двухфазный поток).

При кипении в большом объеме (рис. 5.1) различают три режима: испарение прн естественной конвекции, пузырчатое кипение и пленоч­ное кипение.

Характеристики теплоотдачи сильно изменяются при переходе от одного режима к другому. Если тепловая нагрузка незначительна, то в режиме естественной конвекции температура поверхности нагрева всего на несколько градусов превышает температуру насыщения жид­кости. Тепло с помощью естественной конвекции передается слоям жидкости, непосредственно прилегающим к поверхности нагрева, и паровая фаза образуется па свободной поверхности жидкости. Для недогретой жидкости парообразование может происходить локально

107

иа поверхности нагрева, но конденсация пара в жидкости может све­сти на нет увеличение паровой фазы.

Благодаря высокой интенсивное™ теплоотдачи пузырчатое кипе­ние имеет очень большое практическое значение. По мере роста темпе­ратуры поверхности нагрева процесс парообразования продолжает раз­виваться, и с определенного момента на центрах парообразования по­верхности нагрева начинают зарождаться пузырьки пара. Если жид­кость недогрета, то они могут уменьшаться в размерах п разрушаться. Если же жидкость перегрета, они могут расти и перемещаться к сво­бодной поверхности. По мере того как пузырьков становится все боль­ше и больше, они отрываются, попадают в соседние слои жидкости и сильно их перемешивают, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи. Но тепловой поток, отводимый жидкостью, не может уве­личиваться беспредельно. Так как с нагреванием избыточная темпе­ратура повышается и дальше, то образование пузырьков происхо­дит все более и более интенсивно и поверхность нагрева покрывается сплошным слоем пузырьков, отделяющим ее от жидкости. В результате создается опасная ситуация перегрева поверхности и ее «пережога» (так'называемый кризис кипения). Максимальный тепловой поток для этой точки пузырчатого кипения называется критическим тепловым потоком. Если в условиях роста температуры не наступает «пережога», то имеет место переходный режим, который характеризуется тем, что поверхность нагрева поочередно покрывается то пленкой пара, то слоем жидкости. Однако такие условия теплообмена крайне неста­бильны.

В условиях пленочного кипения жидкость непосредственно не соприкасается с поверхностью нагрева — тепло передается ей через паровую прослойку (пленку) посредством конвекции и излучения. В этом режиме кипения пленка пара очень стабильна, поэтому тепло­отдача в значительной степени обусловлена этой пленкой, которая имеет относительно низкую по сравнению с жидкостью теплопроводность. Умеренный прирост отводимого жидкостью теплового потока можно получить, только существенно увеличив температуру поверхности на­грева, которая быстро приближается к точке плавления материала.

Кипение при вынужденном течении жидкости происходит главным образом при течении жидкости в трубах, между пластинами, через пучки труб или стержней. Пузырьки пара, постоянно отрывае­мые течением жидкости со стенок канала, смешиваются с ней, образуя двухфазный поток. При незначительной интенсивности теплоотдачи энергия передается за счет теплопроводности через жидкую прослойку, примыкающую к стенке, и процесс парообразования происходит на границе раздела жидкость¹—пар. При более высокой теплоотдаче обра­зование пузырьков газа происходит на центрах парообразования сте­нок капала под пленкой. Отделение жидкой пленки от стенки в ре­зультате высокой интенсивности парообразования может стать причи­ной осушения стенки, что приводит к быстрому росту ее температуры. Это условие характеризует критическое состояние и определяется как кризис кипения при вынужденной конвекции. Механизм этого явления чрезвычайно сложен, и его рассмотрение выходит за рамки этой книги.

108

Таблица 5.2

Формулы для определения коэффициента теплоотдачи при кипении Формулы:

<7.з = « Сет — 'нас) Вт/м²; Ыи = аХ/Я_ж, _нас.

Обозначения:

С_Я1 — коэффициент н формуле, теплоотдачи при пузырчатом кипении (Сд — — йс^; значения см. г, табл. 5.3);

« — среднее значение коэффициента конвективном теплоотдачи; с учетом составляющей лучистого теплообмена используется полный коэффици­ент теплоотдачи сс₍, Вт/(м² • °С); ал = ^аоФ (Т^т + Т*_ас) (^ст + Т'пас) — коэффициент теплоотдачи излуче­нием, Вт/(м² • К); <р — 1/(е^-1 + х^-1 — 1) — угловой коэффициент излучения; к — степень черноты поверхности нагрева; у, — поглощательная способность жидкости; ■— плотность теплового потока, Вт/м²; А1 = (<_от — <_нас) — разность температуры, °С. Другие обозначения приведены в разд. 5.2.

Значения свойств берутся при температуре насыщения жидкости.

с с 'Л	Теплоотдача при кипении	Формулы	Лите­ратура
1	Парообразо­вание при есте­ственной кон­векции на вер­тикальной по­верхности	Ыи = 0,56 (Сг • Рг)^/4нас , ламинарный поток, !0'<Ог • Рг<109; Ми = 0,13(О.г • Рг)^/Зиас , турбулентный поток, Сг • Рг> 10»; X равна высоте поверхности нагрева	[5.13]
2	Пузырчатое кипение	Ыи= (К<:6н7ас (Рг)-°-1с ; «-•87 ^ И-ж.насг/§ Г (Ср)ж.нас I3 1 ^	[5.6]
		Уу/ё (Рж.нас-Рпар) [г1в (Рг)1 •7АР \ ' \™?™е (5г)«.„ас = С,/ (Ке)°ж'33с (Рг)«^ас; ) ~ °з X (СР иЛ ' ?(Рж.нас_ Рпар)
3	Пленочное кипение на го­ризонтальной поверхности	№ = 0,425 X . Г Х3Рпар (Рж.нас—Рпар) «Г , ,пл. .,Л1/4 1 Мпар лпар У ё (Рж.нас—Рпар)	[5.16]

109

Продолжение табл. 5.2

с с л	Теплоотдача при кипении	Формулы				Лите­ратура
4	Пленочное кипение иа вер­тикальной по­верхности	№ = 0,25 X ра	X3 Рпар (Рж.нас—Рпар) 8е Р пар] '/3.			[5.33]
			11пар ^-пар 1 вна высоте поверхности нагрева
5	Пленочное кипение на внешней сто­роне горизон­тальной трубы	№1 = 0,02 X-		X3 Рпар (Рж.нас — Р-пар ^пар А /й + 0,4ср пар ДО 3 -и; сс{ = а4/ —-	Рпар)? , , 1 Х 1/4 аЛ	[5.17]
6	Пленочное кипение иа сфе­рической по­верхности	№ = 0,14 X (г		X3 Рпар (Рж.нас-л Р-пар ^-пар ^ /г + 0,5ср пар ДО Х = Э	"Рпар)ё .. 1/3 »	[5.34]
7	Конвектив­ная теплоотда­ча при вынуж­денном движе­нии потока в трубе	х! о п Г^Риар уж.нас , , Л . ,^]'^2 №-2,7 р ('/в-!-0,4 ср Пар Д<) ; 1_ Лпара< Л з _ Х = В; а{=а + — ал Дл« чж.нас < У 8&'< 4				[5.18]
8	Конвектив­ная теплоотда­ча при вынуж­денном движе­нии потока (вверх) в вер­тикальной тру­бе	№ = 0,028 Ке0,8Рг0'4; Х = 0; 6,5 • 104<Рхе<3.!05				[5.19]
9	Критическое значение плот­ности теплово­го потока прн пузырчатом кипении	<78 = 0,!8г/ё [у^(рж.нас — Рпар)]'/4 X . . / Рж.насРпар \'/2 \ Рж.нас Рпар /				(5.14]

111

П р о д о л ж е н и с табл. 5.2

Теплоотдача при кипении

Формулы

Минималь­ное значение плотности теп­лового потока для переходно­го режима от пузырчатого кипения к пле­ночному

' У8 (Рж.нас — Рнпр) 1 '/⁴ . (Рж.пас + Рпар)² ] -для горизонтальных плоских поверхностей;

9з = 0,09 р_парг/_г

9з = 0,!6

рпар ^г/§

. (Рж.пас + Рпар)' повер:

•у(рж.нпс—Рпар)& ]^1/4

8 (рж.нас — рпар

1/2

. (р;к.иас + рпар)² 2у

X

1 +

#0² (рж.нас—рпар)

-1/4

-для горизонтальных цилиндров

Таблица 5.3

Коэффициенты в уравнениях пузырчатого кипения

Граница раздела		Сд/10.	Литература
Вода —■ нержавеющая сталь	0,014	0,364	[5.10]
Вода — никель и нержавеющая сталь	0,013	0,455	[5.9]
Вода — платина	0,013	0,455	[5.7]
Вода — медь	0,013	0,455	[5.7]
Вода — никель	0,006	4,630	[5.6]
Вода — латунь	0,006	4,630	[5.8]
га-Пентан — хром	0,015	0,296	[5.12]
Четыреххлорнстый углерод — медь	0,013	0,455	[5.П]
Бензин —■ хром	0,010	1,000	[5.12]
га-Бутиловый спирт — медь	0,003	37,04	[5.11]
Этиловый спирт — хром	0,0027	50,08	[5.12]
Изопропнловын спирт — медь	0,0025	64,00	[5.11]
35%-нын карбонат калия—-медь	0,0054	6,35	[5.11]
50°/о-ный карбонат калия —медь	0,0027	50,08	[5.11]

В табл. 5.2 представлены некоторые полезные формулы для опре­деления коэффициентов теплоотдачи при кипении.