4). Влияние основных теплофизических характеристик на процесс кипения.

а). Давление. Интенсивность теплообмена при кипении по­вышается с увеличением давления кипения. С увеличением дав­ления уменьшаются размеры пузырька в момент возникновения и отрыва, увеличивается число центров парообразования и час­тота отрыва пузырей в этих центрах.

б). Теплопроводность. С увеличением коэффициента тепло­проводности интенсивность теплоотдачи увеличивается, так как пузырями воспринимается больше тепла.

в). Вязкость. С увеличением вязкости интенсивность теп­лоотдачи, наоборот уменьшайся, так как затрудняется переме­шивание жидкости.

5). Влияние недогрева жидкости.

Кипением с недогревом называют кипение у поверхности теплообмена (поверхностное кипение), при котором вдали от нее жидкость недогрета до температуры насыщения. Паровые пузырьки, возникшие при кипении жидкости в пограничном слое, попадая в холодное ядро, конденсируются. Таким образом, кипение у стенки сочетается с конвекцией однофазной жидкости вдали от стенки и процессом конденсации пара на границе пограничного слоя жидкости. Процессы теплообмена с поверхно­стным кипением имени большое практическое значение, так как позволяют создать более интенсивные тепловые потоки по срав­нению с конвекцией однофазной жидкости. Они применяются при охлаждении авиационных двигателей, ракет, в устройствах для непрерывной разливки стали, при охлаждении активной зо­ны.

6). Влияние материала и состояния стенки.

Интенсивность теплообмена зависит от формы, размеров, шероховатости поверхности, а также oт рода материала.

Изменение шероховатости может привести к повышению коэффициента теплоотдачи в несколько раз, так как степенью шероховатости определяется число действующих центров паро­образования. Одна из причин образования микрозародышей пара – адсорбция растворенного в жидкости газа во впадинах поверх­ности. Поэтому работоспособными центрами являются лишь те углубления, которые способны удерживать пар или газ. Крупные углубления легко заполняются жидкостью и выключаются из ра­боты как активные центры парообразования. Следовательно, су­ществует граница шероховатости, зa пределами которой даль­нейшее загрубление поверхности не увеличит интенсивность теплообмена. Такой границей можно считать чистоту поверхности около 6 - 7 класса (средняя глубина впадин 5 - 10 мкм).

Модель кипения Кружилина.

Рассмотрим физическую модель и соответствующее описа­ние процесса теплообмена при кипении, предложенные Кружилиным:

• В этой модели предполагаем, что при кипении тепловой поток от поверхности теплообмена воспринимается жидкой фа­зой;

• Передачей теплоты от поверхности непосредственно паро­вой фазе пренебрегаем;

• Рассматриваем однокомпонентную сма­чивающую жидкость с постоянными теплофизическими свойствами;

• Пузырьковое кипение осуществляется на горизонтальной плоской поверхности в условиях свободной конвекции;

• Прини­маем, что размеры поверхности теплообмена велики по сравне­нию с размерами паровых пузырьков.

В соответствии с принятой физической моделью основной является система дифференциальных уравнений конвективною теплообмена, описывающая температурное поле в жидкой фазе. Она состоит из уже известных нам уравнений: уравнения движе­ния, уравнения сплошности, уравнения энергии.

К этой системе уравнений добавим уравнение движения и уравнение теплообмена одиночного парового пузырька.

Уравнение движения пузырька определяется условием рав­новесия между подъемной силой и силой гидравлического сопротивления:

,

где R - текущее значение диаметра пузырька; u = u" - u_ж относи­тельная скорость подъема пузырька, с - коэффициент лобового сопротивления

Уравнение теплообмена на поверхности парового пузырька характеризует тепловой поток, подводимый к поверхности пузы­ря за счет теплопроводности и затрачиваемый на испарение жидкости внутрь пузырька, что обуславливает рост его объема:

Анализ этих уравнений методом теории подобия позволяет получить зависимость Nu_s=f(Re_s, Pr_s), где Nu_s=αl_s/λ_ж, Re_s=u_sl_s/ν, Pr_s=ν_ж/а_ж. Это уравнение подобия было положено в основу обобщения большого числа экспериментальных данных при ки­пении различных жидкостей. В результате получена формула:

Физические параметры, входящие в критерии подобия, бе­рутся при температуре насыщения. Значения постоянных при кипении неметаллических жидкостей составляют:

Re	с	n
< 0,01	0,0625	0,5
> 0,01	0,125	0,65

Основным термическим сопротивлением является пленка жидкости под паровыми пузырьками. Толщина ее увеличивается с увеличением вязкости и уменьшается с усилением парообразо­вания. Число Re является мерой влияния этих эффектов.

Коэффициент теплоотдачи при кипении насыщенной и недогретой жидкости выражается одинаково.

Для воды получены эмпирические формулы в зависимости только от режима кипения (q, p)

Кризисы теплоотдачи при кипении.

Первый кризис кипения. Кризисами теплоотдачи при ки­пении называются процессы, связанные с коренным изменением механизма и интенсивности теплообмена.

Рассмотрим характер изменения плотности теплового пото­ка и коэффициента теплоотдачиот перегрева жидкости (кривая кипения). На первом участке теплоотдача соответствует режиму естественной конвекции. При дальнейшем увеличении перегрева жидкости на участке 2 наступает пузырьковое кипение жидко­сти. Сами пузыри забирают от обогреваемой поверхности немного тепла, но они интенсивно перемешивают жидкость во всем объеме и главное в пограничном слое, что приводит к рез­кой интенсификации теплоотдачи к кипящей жидкости по срав­нению с обычной конвекцией. Число центров парообразования на греющей поверхности увеличивается по мере роста плотности теплового потока q, поскольку при этом увеличивается перегрев жидкости у стенки, соответственно уменьшается критический радиус пузыря и все более мелкие шероховатости могут порож­дать пузыри радиусом R>R_кр. До определенного предела это улучшает перемешивание жидкости и теплообмен, но затем па­рообразование становится столь интенсивным, что жидкость от­деляется от греющей поверхности сплошной пленкой пара. Наступает пленочный режим кипения. Естественно пленка пара не­устойчива и непрерывно разрушается, но тут же восстанавлива­ется за счет новых порций образующегося пара. Пар, как и лю­бое газообразное вещество, плохо проводит теплоту, и даже тон­кая пленка, имея большое термическое сопротивление, резко ухудшает теплообмен - наступает кризис теплообмена при кипе­нии. Первый кризис кипения имеет место в начале перехода пу­зырькового кипения в пленочное. Этот переход носит черты кри­зисного явления, так как в момент смены режимов наблюдается резкое снижение максимальной теплоотдачи и соответствующее повышение температуры поверхности теплообмена. В технике стараются не приближаться к критической тепловой нагрузке q_кр1 - максимальная тепловая нагрузка при пузырьковом кипе­нии. Дело в том, что в аппаратах, в которых тепловой поток за­дается независимо от интенсивности теплоотдачи (например, электронагреватели), даже случайное и непродолжительное по времени превышение тепловой нагрузки над q_кр1 приведет к пе­реходу в пленочный режим кипения и температура нагревателя резко возрастет – почти на 1000 °С. Даже легированные стали не выдерживают столь высоких температур, поэтому возможно рас­плавление или пережог поверхности теплообмена.

Температурный напор в момент достижения первой крити­ческой плотности теплового потока называют первым критическим температурным напором ∆t_кр1. Коэффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения соответствует величине:

Так например для воды и ряда криогенных жидкостей значение критических плотностей тепловых потоков и температурных напоров при атмосферном давлении равны:

Критический параметр	H2О	O2	N2	H2
qкр1, Вт/м2	1 - 200	150	100	30
∆tкр1, К	25 - 30	11	11	2

Второй кризис кипения. Обратный переход от пленочного кипения к пузырьковому носит название второго кризиса тепло­отдачи при кипении. Этот переход также носит кризисный ха­рактер, потому что при разрушении паровой пленки и возврате к пузырьковому режиму теплоотдача резко повышается, а темпе­ратура поверхности соответственно понижается. Минимальная тепловая нагрузка при пленочном режиме кипения называется второй критической плотностью теплового потока. Ей соответ­ствует температурный напор, см. рисунок. Значение q_кр2 при ки­пении насыщенной жидкости в большом объеме существенно ниже, чем q_кр1. В условиях свободной конвекции отношение q_кр2/ q_кр1=0,2.

Третий кризис кипения.

При тщательном удалении из жидкости газов. а также при кипении жидкости в условиях пониженного давления может иметь место затягивание режима конвекции до высоких перегре­вов жидкости линия ав. Непосредственный переход однофазной конвекции к пленочному режиму получил название третьего кризиса кипения. Максимальная плотность потока теплоты, со­ответствующая этому переходу называется q_кр3 (q_кр2< q_кр3< q_кр1).