§ 8.3. Кризис теплоотдачи при кипении Критическое число Рейнольдса при кипении

Вспомним, что . Используя эту аналогию, можно получить условное число и зависимость для расчета q_кр1:

, где Ar - число Архимеда;

; q_кр - тепловая нагрузка;

где l_* - комплекс, имеющий размерность длины, входящий в число Re_*; Re_*кр - условное число Re при кипении; r - cкрытая теплота парообразования, Дж/кг; с_р - теплоемкость при постоянном давлении, P = const, Дж/кгС;  - плотность жидкости, кг/м³;  - плотность пара, кг/м³;  - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; q_кр = q_кр1 - переход от пузырькового к пленочному кипению, Вт/м²; T_н - температура насыщения, K; - комплекс, имеющий размерность скорости.

Порядок расчета:

1) для определения q_кр1 рассчитать l_*;

2) рассчитать Ar_*, считая правую часть формулы, найти Re_*кр;

3) по Re_*кр найти q_кр1.

Контрольные вопросы

1. Почему при переходе от естественной конвекции к кипению коэффициент теплоотдачи сначала резко возрастает, а при дальнейшем увеличении тепловой нагрузки резко падает?

2. Что такое характерный размер теплообмена при кипении?

Задача 8.1.1. Рассчитать критическую тепловую нагрузку для кипения воды при давлении P = 210⁵ Вт/м² в испарителе наружного типа, использующего кипение в большом объеме для получения пара. Пар расходом G = 0,5 г/с необходимо подавать в реактор. Давление в испарителе не должно превышать двух атмосфер. Поверхность испарителя F₁ = 0,510^–2 м². Поверхность корпуса испарителя F₂ = 10^–1 м². Корпус испарителя охлаждается естественной конвекцией _ек = 10 Вт/м²С. Температура воды t_ж = 393 К, окружающей среды t_ос = 20 C, t_н = 120 C.

Ответ: q_кр = 1810⁵ Вт/м².

Указания к решению: определяется характерный размер кипения l_:

.

;

 = 0,54810^–1 Н/м;  = 943 кг/м³;  = 1,12 кг/м³.

Рассчитывается q_кр для наших условий:

;

; .

Следовательно, .

Задача 8.1.2. Определить критическую тепловую нагрузку при кипении воды в большом объеме под давлением P = 1 бар.

Ответ: q_кр 1,4  10⁶ Вт/м².

Указания к решению: используя методику задачи 8.1.1, получим l_ = 50,6  10^–6 м, q_кр = 1,41  10⁶ Вт/м².

§ 8.4. Расчетные зависимости для процесса теплообмена при кипении Расчет коэффициента теплоотдачи при кипении

- слаборазвитое пузырьковое кипение для Re_*  10^-2. - развитое пузырьковое кипение для Re_* > 10^-2.

Порядок расчета:

1) для определения  кипения необходимо рассчитать Re_*кр и определить режим течения (пузырьковый или пленочный);

2) рассчитать по заданной тепловой нагрузке Re_*, сравнить его с Re_* = 0,01, определить режим, выбрать формулу (развитое или неразвитое пузырьковое кипение);

3) рассчитать Nu_* по соответствующей формуле;

4) рассчитать _к кипения из .

Применимость формулы для Re_*кр:

1  P  185 бар;

0,85  Pr  13,1.

Применимость формулы для расчета Nu_*:

0,86  Pr  7,6;

10^-5  Re_*  10⁴;

0,45  P  175 бар.

§ 8.5. Влияние различных факторов на теплоотдачу при кипении

На коэффициент теплоотдачи при кипении  влияют более десятка факторов, основные из которых следующие:

1) температурный напор (рис.8.5);

2) тепловая нагрузка (рис.8.6), причем при увеличении тепловой нагрузки и при ее уменьшении значения критической нагрузки различны (q_кр1 и q_кр2) и связаны соотношением ;

3

Рис.8.6.

) давление p на коэффициент теплоотдачи , причем если p_н T_н   r    (рис.8.7). На рис.8.6 p₁ >> p₂;

Рис.8.5.

4) давление p на q_кр и t_кр (видно по рис.8.7 и соответствует зависимостям рис.8.8);

5

Рис.8.7.

Рис.8.8

) краевой угол смачивания  - в смачиваемой жидкости при значение угла слабо влияет на ; в несмачивающей жидкости при влияние угла более существенно, причем величина  значительно меньше, чем в первом случае (рис.8.9);

6) влияние глубины h кипящего слоя (рис.8.10) - сказывается только в случае, когда h < D₀ (отрывного диаметра пузыря);

Рис.8.9.

Рис.8.10.

Рис.8.11.

7) шероховатость поверхности кипения - при увеличении шероховатости за счет увеличения числа центров парообразования коэффициент теплоотдачи  увеличивается;

8) влияние времени кипения (рис.8.11) - связано с растворенными в жидкости газами, с газами адсорбированными поверхностью, которые при времени  > ₀ полностью удаляются из жидкости и с поверхности нагрева.