63.Теплообмен при кипении жидкости в большом объёме

Объемное кипение жидкости возникает в том случае, если по каким-либо причинам давление над кипящей жидкостью резко падает. Причиной этого может быть резкое увеличение отбора пара, в том числе, например, вследствие дефекта сварного шва в котельном агрегате, дросселирование жидкости, например, в расширительных устройствах для продувочной воды котлов барабанного типа и др. Тогда жидкость оказывается перегретой по отношению к новому, более низкому давлению и «стремится» прийти по температуре в состояние равновесия с этим давлением.

Теплоотдача описывается экспериментальной зависимостью

, (3.7)

где С₁ – постоянная величина, зависящая от рода жидкости.

При достаточно больших значениях q_W (и T) отвод тепла от обогреваемой поверхности определяется только кипением жидкости на ней, так как становится возможным зарождение и существование не только крупных, но и мелких пузырьков и число центров парообразования в этом случае велико. В этом случае имеет место режим развитого пузырькового кипения жидкости, теплоотдача в котором описывается экспериментальной зависимостью

. (3.8)

В этом режиме коэффициент теплоотдачи  очень сильно зависит от T. В самом деле, подставляя в правую часть формулы (3.8) значение получаем

, (3.9)

(3.10)

и, наконец, зависимость

. (3.11)

Рассмотрение формулы (3.11) свидетельствует о том, что коэффициенты теплоотдачи в режиме развитого пузырькового кипения очень велики, так как достаточно велики величины перегрева T и показатель степени у T больше двух.

Экспериментально обнаружено также, что рост давления р над жидкостью приводит к увеличению интенсивности теплообмена в процессе кипения, что показано на рис. 3.3, построенном на основании обработки опытных данных для кипящей воды: величины и соответствуют коэффициентам теплоотдачи при произвольном давлении р и при р₁ = 9,8110⁴ Па.

Критическая плотность теплового потока при кипении чистых неметаллических жидкостей может быть определена по формуле

, (3.12)

в которой r – теплота парообразования, отнесенная к единице массы.

Если имеется опасность возникновения кризиса кипения первого рода, то объем жидкости в технологической системе (например, в паровом котле) должен быть мал.

64.Условие существования газового пузырька

На паровой пузырек в жидкости на границе раздела фаз действуют силы поверхностного натяжения – эти силы «работают» таким образом, чтобы уменьшить площадь поверхности, на которой они действуют, т. е. они стремятся захлопнуть паровой пузырек.

Поэтому давление пара в пузырьке должно быть больше, чем над жидкостью (или, что то же, в жидкости), чтобы противостоять силам поверхностного натяжения. Это превышение давления пара в пузырьке над давлением в сосуде было установлено Лапласом и Гауссом и называется поправкой Лапласа – Гаусса, которая имеет следующий вид:

, (3.1)

где р – давление;  - коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость–пар; R – радиус пузырька. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры, и при ее увеличении он уменьшается.

Давление пара в пузырьке должно быть больше, чем давление р в сосуде, еще и на величину поправки В. Томсона (Кельвина), равной

, (3.2)

где, кроме вышеобозначенных величин, и - плотности жидкости и пара соответственно.

Поправка Томсона учитывает тот факт, что поверхность жидкости, окружающей паровой пузырек, является вогнутой по отношению к пару в пузырьке, а, как известно, давление пара, образующегося над вогнутой поверхностью, меньше, чем давление пара над плоской поверхностью (при одинаковой температуре жидкости).

В итоге суммарное превышение давления пара в пузырьке по отношению к давлению в жидкости должно быть равно

. (3.3)

На практике достаточно учитывать поправку Лапласа – Гаусса, так как из-за того, что , и полагать

. (3.4)

Чтобы давление пара в пузырьке было больше, чем давление в жидкости, на величину р, он должен получаться из слоев жидкости, у которых температура больше, чем температура насыщения на удалении от обогреваемой поверхности. Эти слои жидкости, естественно, находятся у этой поверхности. Образующиеся на ней паровые пузырьки увеличиваются в объеме, отрываются от поверхности, и при всплытии вверх в них испаряется жидкость.