Osnovy_teploperedachi_i_massoobmena_2015

Примечание. I1, I2, I3 – значения силы тока, проходящего через трубку – нагреватель.

Физика процесса кипения

Теплоотдача при кипении является высокоинтенсивным процессом. Образование паровой фазы внутри объема жидкости сопровождается затратой большого количества тепла на переход жидкости в пар.

Рассмотрим основные характеристики процесса пузырькового кипения в большом объеме, то есть при отсутствии вынужденного движения жидкости. Наиболее благоприятные условия для образования паровых пузырьков создаются в центрах парообразования, которыми являются отдельные неровности (выступы и впадины) на поверхности нагрева. Здесь же непосредственно у стенки наблюдается наибольший перегрев жидкости. Если температура кипящей жидкости в объеме близка к температуре насыщения tнас ,то у стенки она достигает температуры стенки tс и перегрев здесь составляет t=tc – tнас. На поверхности нагрева зарождается большое количество паровых пузырьков. Из них жизнеспособными оказываются те пузырьки, давление пара внутри которых не меньше давления окружающей жидкости и давления, создаваемого поверхностным натяжением жидкости , то есть размер которых превышает критический.

Условия существования парового пузырька устанавливаются уравнением Лапласа:

2

Pn Pж Rк .

Здесь давление пара в пузырьке Рп уравновешивается давлением окружающей его жидкости Рж и силой поверхностного натяжения ,

- 163 -

приложенных к поверхности парового пузыря с минимальным радиусом Rк. Пар в пузырьке и соприкасающейся с ним жидкости перегрет относительно температуры насыщения на величину разности темпера-

Анализ этого соотношения показывает, что зарождение парового пузырька вероятнее всего в местах наибольшего перегрева жидкости, то есть на обогреваемой поверхности, где давление насыщенного пара имеет наибольшее значение. При увеличении температурного напора

t tc tн ,(tж tc ) в качестве центров парообразования начина-

ют работать более мелкие центры с большей кривизной, в результате чего общее число центров парообразования возрастает. С ростом дав-

ления значение производной P возрастает, а влияние силы поверх-

Tн

ностного натяжения , приложенной к свободной поверхности парового пузырька, уменьшается, что приводит также к уменьшению Rк и увеличению числа действующих центров парообразования, что подтверждается экспериментом. В результате увеличения t и P интенсивность процесса парообразования существенно возрастает. Одной из причин, подтверждающих приведенные выше выводы, является работа современных котлоагрегатов, применяемых для выработки пара высокого давления (порядка 200 бар) при температуре пара около 370оС. С целью получения наибольшей работы расширения на лопатках турбины сухой насыщенный пар, вырабатываемый в котельной установке, перегревают до более высоких температур, определяемых прочностью материалов пароперегревателя. В случае кипения воды при атмосфер-

ном давлении численное значение производной p невелико. Поэто-

Tн

- 164 -

му для данного случая кипения воды при атмосферном давлении уравнение Лапласа может быть упрощено и записано в виде

Режимы кипения

Из выражения (1) видно, что при малых перегревах ∆t критический радиус Rкр достаточно велик. Поэтому в воде при атмосферном давлении, когда ∆t <5°С, большинство зарождающихся паровых пузырьков оказываются нежизнеспособными, поскольку в этих условиях их размеры не могут превысить Rкр. Эти центры пока еще не функционируют. В этом случае паровых пузырьков образуется так мало, что интенсивность теплообмена, характеризуемая коэффициентом теплоотдачи α, Вт/(м2·К), остается невысокой и определяется теплоотдачей при естественной конвекции однофазной жидкости (рис. 1, область АВ).

По мере повышения перегрева (∆t >5°С) за счет увеличения плотности теплового потока q (Вт/м2) величина Rкр уменьшается, и на

поверхности нагрева становятся активными все большее число центров парообразования. Благодаря образующимся паровым пузырькам процесс теплообмена интенсифицируется. При своем росте, а затем и

- 165 -

всплытии пузырьки разрушают перегретый пограничный слой и увлекают за собой перегретую жидкость, тем самым перемешивая весь кипящий объем (рис. 2).

Благодаря такому активному воздействию паровых пузырьков на пограничный слой и перемешивание кипящего объема жидкости, интенсивность теплоотдачи заметно возрастает. Область ВС на рис. 1 соответствует режиму развитого пузырькового кипения – наиболее эффективному и надежному в работе теплообменных аппаратов, где этот процесс реализуется. В этой области ВС количество теплоты, подводимой к поверхности нагрева, целиком передается кипящей жидкости и расходуется на парообразование. При этом число действующих центров парообразования на единицу поверхности нагрева становится так велико, что появляется возможность их слияния в сплошную паровую пленку. Такой предельный перегрев ∆tкр возника-

ет при критической плотности теплового потока qкр и для воды со-

ставляет 25°С. Образующаяся паровая пленка изолирует часть или всю теплоотдающую поверхность и препятствует отводу теплоты к жидкости, так как паровая пленка обладает низкой теплопроводностью λп=0,02 Вт/(м·К) по сравнению с более высокой теплопроводностью воды λж=0,68 Вт/(м·К). Развитое пузырьковое кипение сменяется переходным режимом СD и пленочным режимом DЕ (рис. 1). Интенсивность теплообмена сначала резко падает (участок СD), затем при весьма значительных ∆t снова повышается (участок DЕ), в этом случае поток теплоты, подводимый к кипящей жидкости, снова увеличивается, что объясняется переносом теплоты не только путем теплоотдачи, но и излучением при очень высоких значениях температуры стенки.

Рис. 2. Фазы роста и всплытия парового пузырька на активном центре парообразования

- 166 -

Переход пузырькового режима кипения в пленочный – явление кризиса теплоотдачи при кипении – может привести к опасным последствиям. В условиях, когда к стенке (например, парового котла) со стороны топочного пространства подводится тепло, а отвод от нее через паровую пленку к кипящей жидкости ухудшается, температура стенки может так возрасти, что стенка разрушится, то есть произойдет разрушение поверхности нагрева (авария). Поэтому установление величины критической разности температур ∆tкр или критической плот-

ности теплового потока qкр имеет большое практическое значение при

работе промышленных аппаратов. При кипении воды при атмосферном давлении qкр=1200000 Вт/м2.

Промышленные аппараты работают преимущественно в режиме пузырькового кипения, когда интенсивность теплоотдачи наибольшая. Зависимость коэффициента теплоотдачи α от плотности

теплового потока q и перегрева жидкости ∆t для этого режима кипе-

ния имеет вид [2, 1]

где А и В - постоянные, зависящие от теплофизических свойств жидкости.

Теплоотдача при кипении жидкостей, как и многие другие процессы конвективного теплообмена, является сложным процессом, зависящим от большого числа различных факторов, таких как теплофизические свойства кипящей жидкости и пара, свойства поверхности нагрева (микрошероховатость, чистота и т.д.), температурный напор, то есть

Из анализа механизма пузырькового кипения Д.А. Лабунцов установил, что интенсивность теплоотдачи при кипении смачивающих жидкостей определяется главным образом интенсивностью пульсаций парожидкостной смеси в пограничном слое, вызываемых быстрорастущими паровыми пузырьками. На основе таких предпосылок при обработке аналитического описания процесса методами теории подобия получена зависимость

вид которой был установлен путем обобщения экспериментальных данных при кипении различных жидкостей:

- 167 -

При Reж ≤ 0,01 С = 0,0625, n = 0,5; при Reж ≥ 0,01 С=0,125, n = 0,65.

Индекс ж в уравнении (5) означает, что значения физических параметров в числах подобия определяются при температуре жидкости, равной tнас и называемой в этом случае определяющей температурой.

Числа подобия, входящие в данное уравнение:

где – величина определяющего размера, пропорциональная критическому радиусу парового пузыря Rкр. В случае кипения

где Ср – изобарная теплоемкость жидкости; r – теплота парообразования; -коэффициент поверхностного натяжения; и – плотности кипящей жидкости и сухого насыщенного пара соответственно; Тн – абсолютная температура жидкости, оК.

Численное значение интенсивности пульсаций жидкости в пограничном слое, обусловленной зарождением и ростом паровых пузырьков, оценивается некоторой величиной, имеющей размерность скорости, и называется условной скоростью парообразования:

Запись размерности w в такой форме позволяет вскрыть физический смысл этой условной характеристики: w – это объем пара (м3), снимаемый с единицы поверхности нагрева (м2) в единицу времени (с). Увеличение объема пара в (м3), снимаемого с единицы обогреваемой поверхности (м2) в единицу времени (с), приводит к росту числа Reи увеличению интенсивности пульсаций парожидкостной смеси в кипя-

- 168 -

щей жидкости, что, в свою очередь, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи при кипении.

Описание экспериментальной установки и методики измерений

Установка представляет собой теплоизолированный сосуд (рис. 3) из нержавеющей стали, заполненный дистиллированной водой. Поверхностью нагрева служит обогреваемая электрическим током трубка из стали 12Х18Н10Т диаметром dтр = 5 мм и рабочей длиной Lтр =240 мм. Тепловой поток, отводимый от трубки, рассчитывает-

ся по измеренным величинам силы тока I и напряжения Uэл Q =I·Uэл,

Вт. С помощью дифференциальной хромель-алюмелевой термопары, один спай которой находится в кипящей жидкости, а другой – на стенке трубки, измеряется разность температур t=tc–tнас. Через смотровые окна можно наблюдать за процессом. Для возврата образующегося пара над зеркалом испарения установлен конденсатор, охлаждаемый водой.

Проведение опытов

1.Электропитание при внешнем обогреве корпуса установки и интенсивность работы конденсатора устанавливаются преподавателем.

2.Нагревание воды до температуры насыщения осуществляется при начальной нагрузке I1 на трубке – нагревателе.

3.Чтобы исключить зашкаливание, милливольтметр 11 подключается тумблером по достижении температуры жидкости (воды)

80 оС.

4.На графике стационарности, как показано на рис. 4, наносить показания милливольтметра е (мВ) через каждые 2 мин. После наступления стационарного режима, о чем будет свидетельствовать неизменность показаний милливольтметра е в течение 6 мин, а следовательно,

итемпературного напора t = tc–tн, занести показания всех приборов в таблицу опытных данных (табл. 2). Стационарный режим при нагрузках I2 и I3 наступает быстро, поэтому нужно лишь проконтролировать

постоянство е t (рис. 4).

- 169 -

12

11

10

8

а

б

Рис. 3. Стенд к лабораторной работе (а) и схема экспериментальной установки (б): 1 – трубка – нагреватель; 2 – сосуд, в

- 170 -

котором осуществляется процесс кипения; 3 – термопара; 4 – конденсатор; 5 – тепловая изоляция; 6 - нагреватель стенок сосуда для поддержания кипящей жидкости при температуре насыщения; 7 – автотрансформатор; 8 – регулятор напряжения; 9

– вольтметр; 10 – амперметр; 11 – милливольтметр; 12 – термометр

e, мВ

Опыт № 1

Опыт № 2

Опыт № 3

, мин

Рис. 4. График стационарности (образец)

5.По окончании опытов показать результаты преподавателю и приступить к обработке результатов опытов.

6.Установка отключается преподавателем.

Обработка опытных данных

1. Используя измеренные в опыте значения, рассчитать величины, входящие в табл. 3. При этом необходимо учесть, что в уравнении подобия (4) в качестве определяющей температуры использована температура насыщения кипящей жидкости tнас, которая при атмосферном

- 171 -

давлении для воды составляет 102оС. Теплофизические параметры воды, входящие в числа подобия при этой температуре, а также размер поверхности нагрева имеют следующие значения:

-площадь теплоотдающей поверхность Fтр=0,003768 м2;

-теплоемкость кипящей воды Ср=4,22 кДж/кг К;

-коэффициент поверхностного натяжения кипящей воды

=58,86 10-6кН/м;

-плотность кипящей воды = 958,4 кг/м3;

-плотность пара = 0,598 кг/м3;

-теплота парообразования воды r = 2256,8 кДж/кг;