Глава 8 Теплообмен в двухфазных средах

§ 8.1. Основные понятия

Кипение- объемное (кавитация) и поверхностное.

Кавитация - образование пузырьков газа или пара во всем объеме жидкости.

1. Пузырьки пара могут зарождаться в любой точке жидкости.

2. Жидкость может иметь одинаковую температуру во всех точках.

3. Процесс может протекать без подвода тепла к стенкам сосуда.

Поверхностное кипение- образование паровых пузырей или пленки пара на поверхности нагрева:

1) пар образуется только на поверхности нагрева;

2) кипение имеет место только при подводе тепла;

3) кипящая жидкость неизотермична, ее температура резко увеличивается в слое около поверхности нагрева.

Сравнение теплообмена при кипении и конвекции показывает, что:

при естественной конвекции 10³Вт/ м²С;

при вынужденной конвекции 10⁴Вт/ м²С;

при кипении 10⁴- 10⁵Вт/ м²С, т.е. увеличивается примерно в 50 раз.

Для увеличения в 50 раз при вынужденной конвекции в турбулентном режиме нужно расход энергии увеличить в 210⁴раз, так какNuRe W,

скорость увеличится в 130 раз, а расход энергии W² .

Типы теплоотдачи в двухфазных средах:

1) теплоотдача при кипении в большом объеме;

2) теплоотдача при двухфазных течениях в каналах;

3) теплоотдача при конденсации.

Режимы теплоотдачи при кипении (рис.8.1):

1) пузырьковое кипение (развитый и неразвитые режимы);

2) кризис кипения (два значения - для перехода от пузырькового к пленочному и от пленочного к пузырьковому);

3) переходной режим;

4) пленочное кипение.

П

Рис.8.1.

ри расчетах нужно знать:, q_кр1, q_кр2.

Пузырьковое кипениехарактеризуется высоким тепловым потоком при малом температурном напоре.

Кризис кипения- пузыри начинают препятствовать доступу жидкости к поверхности нагрева, пар образует изолирующую оболочку на поверхности нагрева, что приводит к повышению ее температуры.

Переходной режим- резкие колебания температуры поверхности нагрева, вызванные тем, что она покрывается то паровой оболочкой, то слоем жидкости.

Устойчивое пленочное кипение- на поверхности нагрева образуется паровая пленка, аqпонижается благодаря повышениюR_т (термического сопротивления пленки)

§ 8.2. Механизмы процессов Механизм процесса кипения

Три особенности процесса:

1) пузырьки пара образуются только на поверхности нагрева;

2) кипение имеет место только при подводе тепла;

3) кипящая жидкость неизотермична, ее температура резко увеличивается вблизи поверхности нагрева.

Стадии механизма кипения:

1) образование зародыша пузыря;

2) теплопроводность пара меньше теплопроводности жидкости, тепловой поток идет в основном к жидкости, жидкость перегревается и испаряется внутрь пузыря;

3) при d = d₀ (отрывной диаметр) пузырь отрывается;

4) на его место поступает новая порция жидкости.

Механизм переноса тепла

П

Рис.8.2.

узыри переносят скрытую теплоту парообразования и увеличивают интенсивность переноса тепла конвекцией. Разрушая вязкий подслой, кипение вызывает турбулизацию (перемешивание) вблизи поверхности нагрева (рис.8.2).

Механизм развития пузыря

Стадии (рис.8.3):

1

Рис.8.3.

) возникновение зародыша пузыря, возникновение зародыша, при котором размер пузыряR_зарпревышает размер, обусловленный термодинамическим равновесием;

2) начальный рост пузыря из зародыша;

3) промежуточный рост пузыря;

4) асимптотический рост пузыря;

5) отрыв или возможное разрушение пузыря.

О

Рис.8.4.

трывной размер (диаметр) пузыря определяется балансом динамических сил (рис.8.4), действующих на пузырь (поверхностные силы, архимедова сила, силы инерции, вязкости, силы обусловленные конвекцией).