2). Скорость роста пузыря.

Радиус парового пузырька на изотермической стадии роста определяется из уравнений движения и неразрывности. С помощью этих уравнений, в частности может быть вычислено время, в течение которого паровой пузырек, возникший в результате внезапного уменьшения избыточного давления жидкости на величину ∆р = p’ – p достигает радиуса R, или, что эквивалентно время разрушении давления жидкости на ту же величину ∆р.

Приближенное решение этой задачи, основывающееся на соображениях размерности, следующее. Так как при внезапном изменении давления жидкости влияние сил поверхностного на­тяжения, вязкости и давления пара в пузырьке Pп значительно менее существенно, то время τ должно зависеть oт ∆р, ρ и, конеч­но, от R. Из этих трех параметров может быть составлена лишь одна комбинация величин, имеющая размерность времени, а именно:

Точное решение, принадлежащее Релею, показывает, что константа равна 0,915. Полученное уравнение описывает изотермический рост пузырька!

Наибольший интерес представляет изобарическая стадия, так как именно в это время происходит рост пузырька до пре­дельного размера, при котором происходит отрыв пузырька. От­рывной радиус пузырька на плоской поверхности нагрева, со­гласно опытным данным:

.

где с - константа (для воды с~0,0148), β - краевой угол в граду­сах. Данная формула относится к жидкостям, не полностью сма­чивающим твердую поверхность, и справедлива в области 20<β<90.

Полученное уравнение выражает собой баланс сил поверхностного натяжения 2πσR и подъемной силы , поэтому пропорциональность R_отр и очевидна.

Эта формула справедлива для статической задачи.

При вынужденном движении кипящей жидкости на условия отрыва пузырьков оказывает влияние динамический напор пото­ка. Вследствие гидродинамического воздействия потока отрывной радиус становится меньше R_отр и определяется толщиной пристенного слоя кипящей жидкости Толщина слоя изменяется в зависимости от числа Re и интенсивности процесса парообра­зования. От этих факторов будет зависеть и радиус пузырька. С увеличением Re толщина слоя уменьшается, уменьшается и радиус пузыря.

После отрыва паровой пузырек движется через слой жидко­сти. Теплоотдача между перегретой жидкостью и поверхностью пузыря отличается большой интенсивностью, Так, коэффициен­ты теплоотдачи от воды к пару могут достигать значений 200 000 Вт/м²К. За счет этого пузырек при всплывании значи­тельно увеличивается в размерах. Время появления пузырька до отрыва равно времени его образования .

3) Минимальная работа образования пузырьков крити­ческого размера.

Работа необходимая для образования пузырька в объеме жидкости выражаемся зависимостью:

,

- работа расширения;

- работа внешних сил;

где V, F - объем и площадь поверхности пузырька. Величина σF есть работа образования межфазной поверхности с площа­дью F.

Чем меньше работа L, тем вероятнее вскипание жидкости.

Учитывая геометрию работу можно записать в виде:

.

Чем меньше критический радиус пузыря, тем меньше рабо­та L. С другой стороны, чем больше перегрев жидкости, тем меньше критический радиус. Потому вероятность вскипания увеличивается по мере увеличения перегрева жидкости.

Физические условия появления пузырьков на теплоотдающей поверхности во многом сходны с рассмотренной картиной объемного кипения. Главное отличие состоит в том, что пузырь кроме межфазной поверхности будет иметь поверхность раздела твердое тело - пар, на которой обычное межмолекулярное сцеп­ление ослаблено. Поэтому второе слагаемое, характеризующее работу образования поверхности раздела, оказывается меньше. В итоге оказывается меньше и полная работа, а следовательно, вероятность появления пузырька на твердой поверхности будет выше, чем в объеме жидкости. На рисунке схематически показа­но образование пузырька на плоской поверхности нагрева при условии, что жидкость смачивает (β<π/2) и не смачивает(β> π/2). С увеличением краевого угла смачиваемость поверхно­сти жидкостью ухудшайся, и размеры парового пузырька при отрыве растут. Когда краевой угол становится больше π/2 (жидкость не смачивает поверхность), резко увеличивается доля поверхности нагрева, экранированная основаниями растущих пузырьков. Жидкость как бы оттесняется от поверхности и интенсивность теплоотдачи уменьшается. Обычно применяемые в энергетике теплоносители должны быть смачивающими жидкостями. Пример не смачи­вающей жидкости - ртуть угол 140 градусов.