Контрольные вопросы

1.Что такое процесс кипения? Чем он отличается от испарения?

2.Какие виды кипения наблюдаются в свободном объеме жидкости?

3.При каких условиях начинается процесс кипения жидкости?

4.Какие режимы кипения на теплообменной поверхности наблюдаются при увеличении плотности теплового потока (t)?

5.Как влияет режим кипения на интенсивность теплоотдачи?

6.Чем объясняется высокая интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении жидкости?

7.Какие основные факторы и как влияют на интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении?

8.Какими особенностями отличается механизм теплоотдачи при кипении жидкости в зависимости от режимных параметров q и Р_н?

9.Какие зависимости используются для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении? В чем их особенности?

10.Каково устройство экспериментальной установки? Методика проведения опытов?

Лабораторная работа №7 исследование кризиса теплообмена при кипении жидкости в свободном объеме Задание

Экспериментально исследовать режимы кипения жидкости в большом объеме на тонкой проволочке при различных плотностях теплового потока при атмосферном давлении, провести визуальные наблюдения, зарисовать и описать картину процесса. Опытным путем определить значение первой критической плотности теплового потока и сравнить с расчетом по формуле С.С. Кутателадзе.

Литература

1. [1] стр. 250-251, 257-258, 276-282.

2. [2] стр. 131-138.

Теоретические положения

Кризисом теплообмена при кипении называется явление, связанное с коренным изменением механизма и интенсивности теплообмена.

Первый кризис наблюдается в начале перехода пузырькового кипения к пленочному. С увеличением плотности теплового потока при достижении некоторого его значения на поверхности нагрева образуется сплошная паровая пленка. Пленка обволакивает поверхность нагрева, при этом тепло к жидкости отводится, в основном, теплопроводностью через паровой слой. Так как теплопроводность пара очень мала, а толщина пленки достаточно велика, резко возрастает термическое сопротивление процесса, происходит существенное уменьшение коэффициента теплоотдачи и скачкообразное повышение температуры поверхности. Наступает пленочный режим кипения. Описанное явление называется первым кризисом кипения, а максимальная плотность теплового потока, при которой пузырьковый режим сменяется пленочным, называется первой критической плотностью теплового потока q_кр1.

После наступления пленочного режима кипения при снижении плотности теплового потока происходит обратный переход – к пузырьковому кипению. Это явление происходит скачкообразно и называется вторым кризисом кипения, а минимальная плотность теплового потока, соответствующая этому кризису – второй критической плотностью теплового потока q_кр2.

Из-за устойчивости паровой пленки процесс перехода от пленочного кипения к пузырьковому происходит при меньших плотностях теплового потока, т.е. q_кр2<q_кр1. Для условий кипения насыщенной жидкости в большом объеме при свободной конвекции значения критических плотностей теплового потока q_кр1 и q_кр2 зависят от рода кипящей жидкости, давления насыщения, состояния поверхности, условий ее смачивания, наличия в жидкости примесей и поверхностно-активных веществ. Существенное влияние на критические плотности теплового потока в этих условиях оказывает также изменение силы тяжести. Кризис кипения – чаще всего явление, нежелательное в теплонапряженных устройствах, охлаждаемых кипящей жидкостью. Так, при прямом нагреве (когда тепло выделяется непосредственно а охлажденном теле в результате протекания электрического тока, химической или ядерной реакции) в случае независимого изменения плотности теплового потока при достижении 1-го кризиса кипения резко возрастает температура стенки t_с, увеличиваясь до значений, превышающих температуру плавления материала поверхности, и она разрушается.

В случае косвенного нагрева (когда обогрев трубы производится прокачиванием горячей жидкости или конденсирующимся внутри паром), при независимом регулировании температуры стенки t_с явление кризиса кипения сопровождается значительным снижением теплового потока, отводимого в кипящую жидкость.

При кипении насыщенной жидкости в большом объеме величину первой критической плотности теплового потока можно рассчитать по формуле С.С. Кутателадзе:

, Вт/м² (1)

Коэффициент k называется критерием устойчивости. Зависит от рода жидкости, для воды k = 0.14. Физические свойства жидкости и пара, входящие в формулу, выбираются при температуре насыщения (таблицы 5 и 6 приложения данного сборника).