2.6. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества.

Теплоотдача при кипении жидкости.

Режимы кипения жидкости.

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. Процессы кипения находят применение в теплоэнергетике, химической технологии, атомной энергетики и др.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой подводится тепло, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Значительный перегрев имеет место, например при сбросе давления в системе.

Для возникновения процесса кипения необходимо два фактора: 1) перегрев жидкости, 2) наличие центров парообразования.

Различают два основных режима кипения пузырьковый и пленочный. Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым.

С увеличением теплового потока до некоторого значения отдельные паровые пузыри сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, периодически прорывающий в объем жидкости. Этот режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, называется пленочным.

Интенсивность теплообмена при пленочном кипении меньше, чем при пузырьковом.

Элементы физики процесса кипения.

Интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик кипения и режимных параметров процесса.

К микрохарактеристикам процесса относятся критический радиус пузырька, скорость его роста, отрывной диаметр и частота отрыва, работа необходимая для образования пузырька, характеристики поверхности и жидкости.

1). Минимальный радиус парового пузырька.

Обычно считают, что жидкость закипает при температуре t_ж, равной t_н выходящего из нее насыщенного пара, давление которого р_н = р_ж. Однако это не совсем так. При t_ж = t_н пузыри пара существовать не могут, и теплоотдача идет по законам естественной конвекции.

Дело в том, что давление насыщенного пара внутри пузырей р_п должно уравновешивать не только давление жидкости р_ж, но и силы поверхностного натяжения, сжимающие пузырь подобно упругой оболочке. А если р_п > р_н, то и t_п > t_н, поскольку более высокому давлению пара в насыщенном состоянии соответствует более высокая температура. Естественно, что и температура жидкости t_ж, внутри которой образуются паровые пузыри, должна быть по меньшей мере равна t_п. Таким образом, перегрев жидкости ∆t_ж = (t_ж - t_н), необходимый для её закипания, однозначно определяется давлением ∆р, создаваемым силами поверхностного натяжения.

Для определения ∆р мысленно разрежем сферический пузырь по диаметру, заменим действие отброшенной нижней части на верхнюю силой поверхностного натяжения (она действует по периметру) и приравняем её вертикальной проекции сил давления (они действуют по полусфере) – см. рисунок.

отсюда получим:

Согласно этой формуле ∆р растет с уменьшением радиуса пузыря R. Поэтому при любом перегреве жидкости ∆t_ж всегда найдется такой критический радиус пузыря R_кр, при котором суммарное давление р_ж + ∆р будет равно давлению насыщения р_н при температуре t_ж = t_н + ∆t_ж. Пузыри с радиусом R>R_кр будут расти, поскольку р_п > р_ж + ∆р, а пузыри с радиусом R<R_кр будут раздавлены силами поверхностного натяжения – пар при этом сконденсируется. Из этого следует, что если бы пузыри пара начинали расти с нулевого размера из ничего, то кипение не началось бы никогда.

Было получено УКК:

Если на границе раздела фаз кроме сил давления действуют и другие силы (например, силы поверхностного натяжения), то можно записать уравнение КК в обобщенном виде:

Для случая паровой пузырь = 0,

В такой форме R_к характеризует радиус кривизны пузырьков пара. Одновременно R_к определяет порядок размеров неровностей поверхности, которые при данных условиях могут служить центрами парообразования.

С повышением ∆T значение R_к уменьшается.

С повышением Р знач. R_к уменьшается тоже, так как увеличивается ρ".

Увеличение ∆T и Р → ↓ R_к → усиление кипения, так как увеличивается число центров парообразования.

В действительности зародышами паровых пузырей являются пузырьки газа. Газ в пузырьках, как упругое тело, только сжимается под действием поверхностного натяжения, не исчезая (так как он не может конденсироваться), поэтому критического радиуса для газовых пузырей не существует. Пар из перегретой жидкости образуется на поверхности газовых пузырей, радиус которых больше критического. Сильнее всего жидкость перегрета, естественно, около обогреваемой поверхности, поэтому там величина критического радиуса минимальна. Пузырьки газа или воздуха в микротрещинах и шероховатостях обогреваемой поверхности, радиус которых превышает R_кр, и является местами зарождения паровых пузырей – так называемыми центрами парообразования.

После зарождения паровые пузыри быстро растут, отрываются от поверхности и всплывают, но небольшие части остаются на поверхности и служат зародышами следующих пузырей.