6. Теплообмен при изменении фазового состояния теплоносителей. Массоперенос.

6.1. Теплообмен при кипении жидкости.

Кипением называется процесс перехода жидкости в пар (парообразование), характеризующийся возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фазы внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения при данном давлении.

Процесс кипения характеризуется образованием и ростом паровых пузырьков в объеме жидкости.

Разность между температурой жидкости и температурой насыщения называется перегревом кипящей жидкости.

Кипение называется объемным, если оно происходит непосредственно в объеме жидкости при внезапном сильном перегреве (например резкое падение давления и др.).

Кипение называется поверхностным, если оно протекает на твердой поверхности имеющей температуру t_ст выше температуры насыщения жидкости t_ж, т.е. перегрев слоя жидкости примыкающий к стенке равен t=t_ст-t_ж, а плотность теплового потока от стенки к жидкости равна

где - , коэффициент теплоотдачи при кипении на твердой поверхности, Вт/м².

Гидродинамические характеристики процесса кипения определяются условиями зарождения, роста и отрыва пузырька пара от поверхности (Рис. 21).

К ним относятся:

• минимальный (критический) радиус возникновения зародыша парового пузырька - R_кр, м;

• отрывной диаметр парового пузырька - d₀, м;

• частота отрыва паровых пузырьков от поверхности, f, 1/с;

• скорость роста парового пузырька на поверхности, равная W=d₀f, м/с.

В процессе кипения жидкость испаряется внутрь парового пузырька. Давление пара внутри сферического парового пузырька радиусом R больше давления насыщения за счет сил поверхностного натяжения и сил межмолекулярного взаимодействия жидкости для вогнутой поверхности с радиусом кривизны R равно (по уравнению Лапласа и Томсона)

, Па,

где - , поверхностное натяжение жидкости, Н/м, для воды =0,076 Н/м при t=0С;

• ' и '', плотность жидкости и пара при температуре насыщения, кг/м³.

Соответствующее превышение температуры жидкости над температурой насыщения (нагрев жидкости), обеспечивающее условия испарения жидкости внутрь пузырька пара радиуса R

,

где - Т_н - температура насыщения жидкости, К;

• r - теплота парообразования, Дж/кг.

Из этого условия следует, что при R0 t_R.

На практике образование паровых пузырей происходит в микронеровностях поверхности, имеющих конечный радиус кривизны. При этом чем больше шероховатость поверхности, тем меньше требуется величина перегрева t_R.

Образовавшийся пузырь быстро растет и достигает определенного размера (отрывной диаметр - d₀), при котором он отрывается от поверхности нагрева и всплывает. Величина d₀ определяется силой поверхностного натяжения и подъемной силой пузырька и равна

где  - краевой угол смачивания, град. При <90 жидкость смачивает поверхность, если >90 не смачивает (для воды =50, для ртути - 137).

Частота отрыва паровых пузырьков и скорость их роста связаны соотношением

,

где Р_кр - критическое давление для данной жидкости.

Рассмотрим характер изменения процесса кипения жидкости на поверхности с ростом величины температуры t_ст, перегрева t=t_ст-t_ж и теплового потока q, при постоянной температуре насыщения t_н=t_ж=пост. (Рис. 22).

С ростом t, увеличивается перегрев жидкости в пристенном слое, увеличивается количество центров парообразования, количество и частота отрыва

пузырьков пара, т.к. уменьшается требуе-мая величина R_кр. Это способствует активной турбулизации пристенного слоя жидкости и существенному росту коэффициента  и теплового потока q (зона 1). Этот режим кипения называют пузырьковым кипением. Он характеризуется высокой интенсивностью и надежностью процесса.

Однако, после достижения опреде-ленной величины пере-грева t=t_кр, которая называется критичес-ким перегревом коли-чество пузырьков пара и скорость их образо-вания возрастают

настолько, что они не успевают отрываться от поверхности нагрева и образуют на ней сплошную паровую пленку. Т.к. коэффициент теплоотдачи от стенки к пару на порядок ниже чем к жидкости, то при t>t_кр резко возрастает термическое сопротивление паровой пленки и уменьшаются величины  и q (зона II). Такой режим кипения называется пленочным кипением. Переход от пузырькового кипения к пленочному называется кризисом кипения, а параметры перехода критическими параметрами. Например для воды первая критическая плотность теплового потока Вт/м², t_кр=20-25 С.

В зоне пленочного кипения величина  вначале резко падает, а затем стабилизируется и остается постоянной после t=t_кр2. Соответственно величина q тоже уменьшается до q=q_кр2, а затем увеличивается пропорционально увеличению t>t_кр2. Это явление называется вторым кризисом кипения. Для воды t_кр2=100-110С и Вт/м².

В практических условиях режим пленочного кипения является крайне опасным, т.к. при постоянном значении t_ж=t_н, с ростом t и уменьшением , резко растет температура стенки t_ст, что может привести к ее разрушению. Поэтому в технической практике рекомендуется только докритический, пузырьковый режим кипения.