Пузырьковое кипение

•Вторая переходная область пузырькового кипения воды (область IV ) начинается в опытах Гертнера при перегревах поверхности теплообмена T 22 оС, когда тепловой поток становится равным (6 7) 105 Вт/м2 и продолжается до наступления кризиса теплообмена. Она занимает более половины диапазона перегревов, соответствующих пузырьковому кипению.

•Во второй переходной области на поверхности нагрева начинают формироваться отдельные очаги пленочного кипения, число и протяженность которых увеличивается с ростомT. Это приводит к тому, что при увеличении температурного напора происходит быстрое замедление роста q, а затем наступает момент, когда теплоотдача достигает максимума. Этому моменту соответствует кризис пузырькового кипения, который в опытах Гертнера наступал при тепловом потоке около 1,6 106 Вт/м2.

11

Гистерезисы при пузырьковом кипении

•В определенных условиях при пузырьковом кипении жидкости можно наблюдать явления гистерезисного характера, которые приводят к неоднозначной взаимозависимости q и T. Обычно гистерезисы на кривой пузырькового кипения возникают, когда жидкость хорошо смачивает поверхность теплообмена, что свойственно, например, криогенным средам. Существенную роль при этом, по- видимому, играет также степень чистоты обработки (шероховатость) поверхности. В зависимости от предыстории процесса и направления изменения теплового потока (увеличения или уменьшения q) могут быть реализованы уровни теплоотдачи разной интенсивности. Некоторые примеры гистерезисных явлений в режимах пузырькового кипения криогенных жидкостей показаны ниже.

12

Гистерезисы при пузырьковом кипении

•Характерно, что при первоначальном нагреве теплоотдающей стенки кипение криогенных жидкостей начинается при достаточно высоких (относительно масштабов температур в криогенной области) значениях температурного напора T. При закипании жидкости последующая активация центров парообразования происходит в узком диапазоне T и тепловой поток q быстро увеличивается (см. почти вертикальные участки кривой кипения на рисунках, помеченные стрелкой, направленной вверх). Чем выше шероховатость поверхности, тем больше крутизна активационных участков (где Rz – параметр шероховатости). Возможно также довольно резкое уменьшение температурного напора после закипания. Очевидно, это происходит вследствие существенной интенсификации теплообмена при переходе от естественной конвекции к пузырьковому кипению.

•При уменьшении плотности теплового потока или температурного напора работоспособность ранее активированных центров парообразования может сохраняться несмотря на более низкие значения q или T. Поэтому кривые пузырькового кипения при заданном тепловом потоке располагаются по температурным напорам существенно левее активационных участков. При этом в зависимости от достигнутого на этих участках количества действующих центров теплоотдача может быть выше или ниже. Так, например, в случае гелия может быть получена целая серия кривых пузырькового кипения при ниспадающем тепловом потоке. Очевидно, что на данном рисунке наивысшей плотности центров соответствует самая верхняя кривая из этой серии, где процесс кипения наиболее развит и теплоотдача максимальна.

13

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•Изучению механизмов переноса тепла при пузырьковом кипении жидкости посвящено большое количество как теоретических, так и экспериментальных работ. На начальном этапе исследований предполагалось, что высокая интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении является результатом значительной турбулизации жидкости, вызываемой движением паровых пузырей в непосредственной близости от поверхности нагрева. Однако позже было показано, что при передаче тепла от греющей стенки к кипящей жидкости важную роль играют процессы испарения в растущие на стенке паровые пузыри. По-видимому, наиболее правильна точка зрения, согласно которой при описании механизма теплообмена в кипящей жидкости необходимо учитывать оба отмеченных фактора, при этом относительный вклад каждого из них зависит от условий, в которых протекает процесс кипения. Таким образом, тепловой поток, отводимый от поверхности нагрева, можно представить в виде суммы

•где qконв – тепловой поток, переносимый конвекцией жидкости; qп – тепловой поток, обусловленный переносом скрытой теплоты парообразования пузырями пара, отрывающимися от теплоотдающей стенки.

14

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•Последняя величина может выражена как

qп 6 D03 ρ N f r ,

•где D0 – средний отрывной диаметр пузыря; – плотность пара; N – число центров парообразования, действующих на единице площади поверхности нагрева; f – средняя частота отрыва пузырей; r – скрытая теплота парообразования.

•Очевидно, что соотношение между составляющими плотности теплового потока в выражении должно изменяться при увеличении тепловой нагрузки, так как механизмы парообразования и соответственно переноса тепла на последовательных участках кривой пузырькового кипения существенно различаются. На начальном участке I кривой кипения в режиме изолированных пузырей должен преобладать конвективный перенос тепла от стенки жидкостью, возмущенной процессом парообразования, а на участках III и IV – механизм переноса за счет скрытой теплоты парообразования. В переходной области II вклады этих двух механизмов, по-видимому, сопоставимы по величине, а значения qконв и qп имеют примерно одинаковый порядок. Сделанные выводы подтверждаются экспериментальными данными.

15

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•В экспериментах установлено, что доля теплового потока qп/q, переносимая за счет скрытой теплоты парообразования, увеличивается с ростом q и уменьшается с

понижением давления. На рисунке показан характер зависимости qп/q от q, полученной в экспериментах с насыщенной водой, кипящей на горизонтальной платиновой проволоке при атмосферном давлении. Видно, что при больших тепловых нагрузках относительная доля теплового потока, идущего на испарение, практически составляет 100 %.

16

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•Интенсивность теплообмена в режиме пузырькового кипения жидкости в большом объеме зависит от большого количества факторов. Основными факторами являются тепловая нагрузка поверхности нагрева q (либо температурный напор ΔT) и давление p. Кроме того, существенную роль в процессе теплообмена могут играть свойства и состояние теплоотдающей поверхности и, главным образом, ее микрошероховатость и смачиваемость.

•При увеличении плотности теплового потока на греющей стенке теплоотдача при кипении жидкости значительно возрастает. Рост давления также приводит к увеличению теплоотдачи, особенно сильным этот эффект оказывается при повышенных давлениях.

•На грубо обработанных поверхностях теплоотдача в режиме пузырькового кипения, как правило, выше, чем на гладкой твердой поверхности. В качестве примера влияния шероховатости поверхности на теплообмен при пузырьковом кипении можно привести опытные данные, полученные Беренсоном.

17

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•В данном случае кипение н-пентана происходило на плоской медной поверхности диаметром около 50 мм, расположенной горизонтально. Шероховатость поверхности изменялась в результате разных способов ее механической обработки: путем полировки (1), шлифовки (2), обработки мелкой наждачной бумагой (3), обработки крупной шкуркой (4).

•Из рисунке видно, что увеличение шероховатости поверхности нагрева приводит к сдвигу кривых пузырькового кипения влево (к увеличению теплоотдачи). В режиме переходного кипения эффект чистоты обработки поверхности теплообмена постепенно ослабляется, а при пленочном кипении вовсе исчезает.

18

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•Результаты одного из экспериментов по исследованию влияния на теплообмен степени смачивания поверхности нагрева кипящей водой показаны на рисунке. Из рисунка видно, что увеличение краевого угла смачивания от 14 до 90о приводит к росту теплоотдачи (кривые пузырькового кипения сдвигаются влево). По данным других экспериментов также с водой (Аладьев и др.) коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении увеличивается более чем в два раза с ростом от 40 до 90о, а при дальнейшем увеличении до 140о практически не изменяется.

•При загрязнении поверхности нагрева какими-либо отложениями с малой теплопроводностью теплоотдача падает вследствие возникновения дополнительного внешнего термического сопротивления.

19

Теплообмен в режиме пузырькового кипения в большом объеме. Механизмы и основные факторы, определяющие теплообмен.

•Теплоотдача при развитом пузырьковом кипении жидкости на поверхностях нагрева разной геометрической формы и размеров практически одинакова. Угол наклона f плоской поверхности по отношению к горизонтали оказывает влияние на теплоотдачу только при низких тепловых нагрузках q или небольших значениях температурного напора, когда кипение на поверхности не развито. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, представленные на рисунке. Несмотря на ухудшение условий эвакуации пара при увеличении угла наклона поверхности нагрева теплоотдача возрастает, что обычно связывается с испарением жидкости в паровые пузыри, скользящими вдоль поверхности.

20