Кипение жидкости в большом объеме

Структура двухфазного потока зависит от геометрических свойств системы. Системы с неограниченным объемом представляют собой относительно большие емкости, заполненные жидкостью, в которые погружены различные поверхности в виде одиночных труб, пучков труб, обогреваемых изнутри. Пар, образующийся при кипении жидкости на их наружных поверхностях, беспрепятственно отводится из системы.

Рассмотри систему, состоящую из сосуда, заполненного жидкостью, горизонтальная поверхность которого (дно) обогревается. На рисунке дан график изменения температуры по высоте слоя жидкости. Перегрев жидкости у системы имеет значительную величину. Вдали от поверхности жидкость перегрета незначительно.

Рис. 3.

При развитом кипении на поверхности действует значительное количество центров парообразования. Одновременный рост большого количества пузырей и их периодический отрыв от поверхности приводит интенсивному перемешиванию жидкости. От поверхности отрываются пузырьки разного размера. Скорость всплытия больших пузырьков больше, чем маленьких. Некоторые большие пузыри при всплытии дробятся на ряд более мелкие. Мелкие пузыри могут объединяться и образовывать большие пузыри. Объединение мелких пузырьков может происходить на поверхности нагрева. В итоге общая картина носит сложный характер. Свободная поверхность жидкости испытывает интенсивные пульсации.

Ввиду весьма большой сложности процесса теплоотдачи при кипении, строгой теории описания процесса пока не существует. Количественную связь между коэффициентом теплоотдачи и факторами, от которых он зависит, устанавливают экспериментальным путем. При обработке опытных данных используют методы теории подобия.

При формировании чисел подобия целесообразно придать уравнению подобия теплоотдачи стандартный, привычный для нас вид:

,

где - , ,

В качестве определяющего размера l_* принят комплекс, пропорциональный радиусу пузырька пара в момент зарождения (R_k) и интенсивности теплообмена на границе «жидкость-пар», которая определяется числом подобия Якоба (Ia):

l_* =

После подстановки значения R_к из уравнения ( ), последнее выражение принимает вид:

Окончательно соотношение для расчета величины определяющего размера при кипении жидкости имеет вид:

.

При определении Rе_* за скорость берут так называемую приведенную скорость парообразования w_*. Скорость парообразования- удельная величина, определяющая объем пара, образующегося за одну секунду на одном квадратном метре раздела фаз:

Согласно уравнению баланса тепла, теплота, подведенная через поверхность раздела фаз, расходуется на превращение жидкости в пар:

qF , или qF .

Отсюда

.

Последнее выражение согласно определению представляет скорость парообразования

.

Если обобщить опытные данные, то выражение для определения среднего коэффициента теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения в большом объеме представляется выражением:

.

B этих уравнениях аргументом является тепловая нагрузка (q). Она входит в число Re через скорость парообразования w_*. С использованием этих уравнений подобия определяется интенсивность кипения при заданной тепловой нагрузке.

В тех случаях, когда неизвестна тепловая нагрузка, а известен перегрев жидкости t, то коэффициент теплоотдачи определяется из выражений, полученных преобразованием предыдущих формул в виде:

или

или .

Во всех приведенных уравнениях физические характеристики относятся к жидкости и определяются при температуре насыщения.