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 свободной поверхности воды 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 воде при пузырьковом кипении в объеме

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

При дальнейшем кипении воды и повышении Δt значения коэффициента теплоотдачи α и плотности теплового потока q резко увеличиваются и при Δt =25 ºС достигают своего максимального значения: α_кр=5,85·10⁴ Вт/(м²·К), q_кр =1,45·10⁶ Вт/м². Область В на рис. 15 соответствует пузырьковому режиму кипения.

Рис. 15. Зависимость плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи от температурного напора при кипении воды при атмосферном давлении

Последующее повышение величины Δt приводит к еще более интенсивному процессу образования пузырьков у поверхности теплообмена. Затем, пузырьки сливаются между собой и образуют паровую пленку. Образование паровой пленки приводит к резкому снижению интенсивности теплообмена между поверхностью и жидкостью, вследствие большого термического сопротивления пленки. Область С (рис. 15) соответствует переходному режиму кипения. Следует отметить, что паровая пленка в этой области неустойчива.

При дальнейшем увеличении перепада температур, образовавшаяся на поверхности пленка становится устойчивой.

При некотором значении перепада температур процесс теплообмена стабилизируется, коэффициент теплоотдачи, имеет при этом неизменное значение и не зависит от перепада температур. Плотность теплового потока возрастает за счет увеличения доли теплоты, переданной через паровую пленку излучением. Этому режиму - пленочного кипения на рис. 15 соответствует область D.

В практических расчетах пузырькового кипения воды используются следующие уравнения:

(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 уравнениях (141) - (144) используются следующие единицы измерения: q – в Вт/м², р – в МПа, коэффициент теплоотдачи – в Вт/(м²·К).

При вынужденном турбулентном течении кипящей жидкости в трубах коэффициент теплоотдачи определяется по-разному.

Если обозначить коэффициент теплоотдачи при кипении (141) - (144) α_q, а коэффициент теплоотдачи при движении однофазной жидкости (130) α_w, то, при α_q /α_w< 0,5 коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении движущейся жидкости в трубе α = α_w; при α_q/α_w >2 имеем α = α_q.

В области 0,5 ≤ α_q/α_w ≤ 2 коэффициент теплоотдачи определяют по соотношению

. (145)

При пленочном кипении средний коэффициент теплоотдачи определяется следующим образом:

на вертикальной поверхности

, (146)

где λ_п – коэффициент теплопроводности пара при температуре насыщения; r – удельная теплота парообразования; ρ, ρ_п – плотности жидкости и пара при температуре насыщения; η_п – динамический коэффициент вязкости пара при температуре насыщения; Δt = t_c – t_s; h – высота стенки;

на горизонтальном цилиндре

, (147)

где d – наружный диаметр цилиндра.