Теория тепломассообмена

Лекция №6

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

Москва

Основные понятия

•Кипение жидкости в парообразующих установках может происходить в разных условиях. Если кипение осуществляется на поверхности нагрева, погруженной в большой объем жидкости, то такой процесс называют кипением в большом объеме, или кипением в условиях свободной конвекции. Если же кипящая жидкость принудительно движется в обогреваемом канале, то такой вид кипения называется кипением в вынужденном потоке. За пределами перегретого вблизи стенки слоя жидкость может иметь температуру, близкую к температуре насыщения, или быть существенно не догрета до этой температуры. В первом случае процесс кипения классифицируют как кипение насыщенной жидкости, во втором – как кипение с недогревом.

2

Основные режимы кипения

•В зависимости от уровня подводимого теплового потока и некоторых других факторов на поверхности нагрева могут быть реализованы два основных режима кипения: пузырьковый и пленочный. При пузырьковом кипении на линии насыщения паровая фаза образуется в виде отдельных паровых пузырей; находящиеся между ними участки теплоотдающей поверхности контактируют с жидкостью. В пленочном режиме кипения обогреваемая стенка изолирована от

жидкости сплошным слоем пара, на поверхности раздела “жидкость – пар” формируются паровые конгломераты, которые отделяются от этой поверхности и всплывают в окружающей жидкости.

•Кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения, существенно отличается от рассмотренного выше кипения насыщенной жидкости. Образование и рост паровых пузырей в данном случае возможен только в тонком примыкающем к стенке перегретом слое. Картина процесса в общем значительно зависит от заданных внешних условий (давления p, степени недогрева до температуры насыщения Tнед, плотности теплового потока на стенке q). Наиболее

часто наблюдается ситуация, когда растущие на поверхности нагрева пузыри, достигнув некоторого максимального размера, затем схлопываются в результате контакта с холодной жидкостью, не отрываясь от стенки. В частности, интересен случай, когда скорости испарения жидкости и конденсации пара примерно одинаковы. Тогда можно наблюдать “стоячие” пузыри с пульсирующей поверхностью раздела фаз около равновесного положения.

3

Основные режимы кипения

•При высоких тепловых нагрузках поверхности нагрева создаются условия, при которых становится возможным отрыв паровых пузырей от теплоотдающей стенки. Пример одного из таких режимов показан на рис. б.

•В режимах, подобных представленному на рис. б, в объеме недогретой жидкости образуется мелкая взвесь, состоящая из оторвавшихся от стенки паровых пузырей микроскопических размеров. Около нагревателя происходит интенсивное движение потоков взвеси с последующей конденсацией пара в холодной жидкости.

Нихромовая проволока диаметром 0,4 мм, вода, p = 0,1 МПа, Tнед = 78 оС: а) q = 8 105 Вт/м2, б) q = 107 Вт/м2

4

Кривая кипения

•Особенности процесса теплообмена при кипении насыщенной жидкости в большом объеме принято характеризовать так называемой кривой кипения, вид которой может существенно изменяться в зависимости как от свойств кипящей жидкости, так и от внешних условий (давления, плотности теплового потока на теплоотдающей стенке или ее перегрева, поверхностных и других характеристик нагревателя и т.д.).

5

Кривая кипения

•Классический вид кривой кипения в координатах q – T показан на рисунке. Здесь кроме участков AB и CD, представляющих основные режимы кипения – пузырьковое и пленочное, принято отмечать:

•участок BC, описывающий постепенный переход от пузырькового кипения к пленочному (переходное кипение) при независимо задаваемом увеличении T;

•скачкообразные переходы при независимом изменении q – переход от

пузырькового режима к пленочному при qкр1 – линия BE (кризис пузырькового кипения) и наоборот – переход от пленочного режима к пузырьковому при qкр2 –

линия CF (прекращение пленочного кипения).

•Указанные значения qкр1 и qкр2 называются соответственно первой и второй критической плотностью теплового потока.

•Таким образом, смена режимов теплообмена при кипении насыщенной жидкости в большом объеме происходит по-разному в зависимости от того, какая величина является заданной – T или q. Постепенный переход от пузырькового кипения к пленочному по линии BC можно наблюдать в экспериментах, только плавно увеличивая температуру стенки, иначе (при заданном q) смена режимов теплообмена после достижения максимального теплового потока в точке B произойдет практически мгновенно и T скачком возрастет до значения в точке E. Аналогично обстоит дело и с обратным переходом от пленочного режима к пузырьковому.

6

Пузырьковое кипение

•В целом переходное кипение, которому соответствует пунктирная кривая BC, можно рассматривать как комбинацию неустойчивых режимов пузырькового и пленочного кипения, сменяющих друг друга в пространстве и во времени.

•В энергетических установках, где требуется отводить большие количества тепла при малых температурных разностях, пузырьковый режим кипения жидкости представляет особый интерес.

•Гертнер на основе кинематографического изучения кипения воды на полированной медной поверхности предложил разбить кривую AB на на четыре участка.

7

Пузырьковое кипение

•В опытах Гертнера кипение воды начиналось при перегреве теплоотдающей стенки около 10 оС (при более низких значениях T тепло передавалось жидкости естественной конвекцией). При увеличении T (соответственно q) число центров, на которых появлялись паровые пузырьки непрерывно возрастало, однако вплоть до T 16 оС расстояния между активными центрами превышали 2D0, где D0 – отрывной диаметр пузырька, и взаимодействия между пузырями не наблюдалось. Поэтому область I была названа областью изолированных пузырей.

8

Пузырьковое кипение

•При дальнейшем росте T расстояния между центрами парообразования становились приблизительно равными или меньшими 2D0 и характер процесса пузырькового кипения существенно изменялся. В первой

переходной области, которая охватывает узкий диапазон перегревов T 2 – 3 оС (область II), при тепловых нагрузках примерно от 1,4 105 до 2,5 105 Вт/м2 на поверхности теплообмена появлялись столбики пара, которые были результатом слияния непрерывных цепочек пузырей по вертикали. Одновременно возникало взаимодействие отдельных центров парообразования по горизонтали, в итоге слияния паровых столбиков образовывались паровые структуры, названные Гертнером “паровыми грибами”.

9

Пузырьковое кипение

•Область III, названная областью паровых грибов, наступает при увеличении теплового потока свыше 2,5 105 Вт/м2. На участках поверхности нагрева с высокой насыщенностью активных центров образуются только паровые грибы, а на участках с меньшей плотностью центров – практически сплошные струи пара.

•Образующиеся паровые грибы соединены с поверхностью теплообмена многочисленными паровыми “ножками”. За счет испарения перегретой жидкости через основания этих ножек происходит питание паровых грибов. Разрастаясь, паровые грибы поглощают паровые столбики, превращая их в новые питающие ножки.

•Когда паровые грибы вырастают до достаточно крупного размера, они отрываются от теплоотдающей поверхности и всплывают вверх. При этом обычно происходит слияние нескольких оторвавшихся паровых грибов, в результате чего образуются крупные паровые полости.

•Эти явления, наблюдались при пузырьковом кипении не только воды, но и других жидкостей.

10