
- •ТЕПЛООБМЕН ПРИ кипении
- •Кипением называется парообразование с возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз
- •Кипение в объеме жидкости возникает, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном
- •Эксперименты показывают, что пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном
- •Размеры пузырьков зависят в первую очередь от смачивающей способности жидкости. Если кипящая жидкость
- •Процесс кипения ограничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости непосредственно у поверхности. В этом
- •Сплошной паровой слой в связи с малой теплопроводностью пара имеет большое термическое сопротивление.
- •При анализе процессов пузырькового кипения используют ряд микрохарактеристик и режимных параметров процесса. Микрохарактеристики
- •была больше суммы всех внешних сил, действующих на паровой пузырек. Это сила давления
- •будет превышать температуру насыщения tн
- •Отсюда следует:
- •Тогда получим:
- •Тогда (3) примет вид:
- •Анализ формулы (6) показывает, что чем больше
- •определяющее работу образования новых поверхностей раздела фаз, меньше. Тогда меньше становится и полная
- •Пусть
- •В результате работа образования новых поверхностей составит
- •Величина Fс / F определяет долю площади поверхности пузырька, на которой пар соприкасается
- •К режимным параметрам кипения относятся – перегрев и недогрев жидкости, способ обогрева поверхности
- •Пузырьковой кипение происходит на горизонтальной поверхности при условии свободной конвекции. Считаем, что размер
- •Система (8) – (10) дополняется уравнением движения и теплообмена одиночного пузырька. Уравнение движения
- •Приравнивая (6) и (7), получим:
- •Тогда распределение скоростей (9) запишем в виде:
- •Уравнение теплообмена состоит из теплового потока, подводимого к поверхности пузырька за счет теплопроводности,
- •Условия однозначности – температура поверхности нагрева постоянна, а температура жидкости на свободной поверхности
- •Критический радиус пузырька
- •Величина
- •Теплоотдача на поверхностях при развитом кипении не зависит от формы и ориентации теплоотдающей
- •и уменьшается с интенсивностью парообразования. Число Re* является мерой влияния этих эффектов.
ТЕПЛООБМЕН ПРИ кипении
Кипением называется парообразование с возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.
Процесс характеризуется возникновением пузырьков пара. Различают кипение в объеме жидкости и на твердой поверхности теплообмена.
Кипение на твердой поверхности возникает, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.
Кипение в объеме жидкости возникает, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении. При этом процесс может происходить из-за быстрого снижения давления или наличия в жидкости внутренних источников теплоты.
В теплоэнергетике обычно встречаются процессы кипения на твердой поверхности. В этом случае теплота от поверхности передается пограничному слою, а от него – массе жидкости и образующемуся пару. В пограничном слое жидкость перегрета на величину:
t tc tЖ
Эксперименты показывают, что пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в
отдельных точках этой поверхности, которые называются центрами парообразования. Центрами
парообразования являются преимущественно неровности самой поверхности, а также выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте образуются новые пузырьки.
Размеры пузырьков зависят в первую очередь от смачивающей способности жидкости. Если кипящая жидкость хорошо смачивает поверхность, то пузырек пара легко отрывается. Режим, при котором рост пузырьков до отрыва и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и
перемешивание жидкости в пограничном слое, называется пузырьковым кипением. При
пузырьковом кипении резко возрастает теплоотдача поверхности теплообмена.
Если жидкость недогрета, то образующиеся на поверхности пузырьки сразу после отрыва конденсируются.
Процесс кипения ограничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости непосредственно у поверхности. В этом случае перемешивание пристенного слоя достаточно слабое. В результате теплоотдача происходит только
за счет свободной конвекции, а процесс называется
поверхностным или конвективным кипением.
При увеличении температурного напора или плотности теплового потока число центров парообразования увеличивается. Когда их количество существенно возрастает, то образуется сплошной паровой слой. Периодически этот слой разрывается, и часть пара прорывается в объем
кипящей жидкости. Режим кипения с пленкой пара на поверхности называется пленочным кипением.
Сплошной паровой слой в связи с малой теплопроводностью пара имеет большое термическое сопротивление.
Например, при p 0,1МПа для воды |
Ж 0,68 , а |
для водяного пара п 0,02 Вт/(м∙К). |
|
Теплоотдача от поверхности к жидкости резко уменьшается, а температурный напор резко возрастает. Коэффициент теплоотдачи резко снижается. Если при этом тепловой поток и температура жидкости остаются неизменными, то, как следует из уравнения:
q (tc tЖ )
резко возрастает температура стенки, что может привести к пережогу стенки и аварии.
При анализе процессов пузырькового кипения используют ряд микрохарактеристик и режимных параметров процесса. Микрохарактеристики – это
критический радиус пузырька, скорость его роста, отрывной диметр, частота отрыва.
Критический радиус пузырька
R– минимальный размер пузырька в момент
кзарождения.
R |
имеет |
порядок размера |
неровности |
на |
к |
поверхности теплообмена и |
определяется |
из |
|
|
условий |
термодинамического |
и механического |
|
|
равновесия паровой и жидкой фаз. |
|
||
Для возникновения пузырька необходимо, чтобы |
|
|||
сила давления пара внутри него |
p1 |
|
была больше суммы всех внешних сил, действующих на паровой пузырек. Это сила давления окружающей
жидкости и сила поверхностного натяжения |
|
|
поверхности пузырька |
: |
|
p p |
p 2 |
(1) |
1 |
Rк |
|
|
p 2 / Rк |
|
При избыточном давлении |
пузырек может существовать и развиваться, а приp 2 / Rк пузырек конденсируется.
Образование пузырька с критическим радиусом Rк
возможно лишь в том случае, если окружающая |
|
среда перегрета, т.е. если ее температура |
tЖ |
будет превышать температуру насыщения tн
при давлении жидкости p на некоторую величину
t tЖ tн TЖ Tн
Температура пара Tп.к в пузырьке с критическим
радиусом должна равняться температуре окружающих слоев жидкости TЖ
;
TЖ Tп.к
может быть определена как температура насыщения,
соответствующая давлению пара внутри пузырька
p1 p p