Теплоносителя

7.51 Конвективный теплообмен при кипении

Кипение – это процесс интенсивного парообразования внутри объема жидкости. Необходимыми условиями возникновения и поддержания кипения жидкости являются:

– непрерывный подвод теплоты, так как только в этом случае возможен фазовый переход жидкости в пар;

– перегрев жидкости, т.е. Т_ж должна быть несколько выше температуры насыщения Т_н при заданном давлении;

– наличие в объеме жидкости и на нагреваемой поверхности так называемых “центров парообразования”, которыми являются микрообъекты, ухудшающие условия смачиваемости.

Величина перегрева ∆Т = Т_ж – Т _н зависит от рода жидкости, ее чистоты, давления, от свойств и состояния твердых поверхностей, соприкасающихся с жидкостью. У жидкостей, содержащих взвешенные частицы инородных тел, мельчайшие газовые пузырьки и т.п., величина перегрева не велика, и по высоте объема кипящей жидкости она меняется несущественно, рис. 7.9. Наибольший перегрев наблюдается в слоях жидкости, прилегающих к теплоподводящей стенке. Это объясняется тем, что здесь нет постоянной поверхности раздела жидкости и пара, а процесс парообразования может происходить только после возникновения паровых пузырьков. Такие пузырьки возникают, прежде всего, на поверхности нагрева. Рис. 7.9

Центрами парообразования являются шероховатости поверхности, твердые частички примесей, пузырьки газа, выделяющиеся из стенки и т.п. Минимальный радиус пузырька в момент зарождения соответствует размеру центров парообразования. Величина радиуса R_п определяется из выражения:

, (7.24)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения;

Т_н и Т_ст – температуры насыщения и стенки, соответственно;

r – удельная теплота фазового перехода;

ρ – плотность пара.

С ростом температурного напора ( ∆Т ) величина минимального радиуса пузырька R_п уменьшается, а это означает, что центрами парообразования могут быть объекты все меньших и меньших размеров. Температура пара внутри пузырька равна температуре насыщения Т_н , и поскольку Т_ж>Т_н, то к пузырьку интенсивно подводится теплота. Эта теплота идет на испарение жидкости внутрь пузырька и работу расширения. Размеры пузырька быстро растут, и под действием подъемной силы и конвективных токов он отрывается от стенки и поднимается к свободной поверхности жидкости, увеличивая по пути свой диаметр. Паровые пузырьки, проходящие через жидкость, перемешивают ее, что приводит к интенсификации процесса теплоотдачи. Поэтому частота отрыва пузырьков и число действующих центров парообразования определяют интенсивность теплообмена при кипении

На рис.7.10 изображена типичная зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды в условиях свободной конвекции от температурного напора.

При небольших темпера- турных напорах количество отделяющихся от поверхности нагрева пузырьков не велико, и они не способны еще вызвать существенное перемешивание жидкости. В этих условиях интенсивность теплоотдачи определяется только свободной конвекцией жидкости, и α слабо увеличивается с ростом ∆Т. Такой режим кипения называется к о н в е к т и в н ы м (зона 1, рис. 7.10).

При увеличении температур -

ного напора растет число действую-

щих центров парообразования и частота отрыва пузырьков.

Рис. 7.10

Всплывающие пузырьки все интенсивнее перемешивают жидкость, наступает режим развитого пузырчатого кипения, резко возрастает (зона II).

Когда центров парообразования становится очень много, паровые пузырьки объединяются в пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности, а затем полностью отделяет жидкость от поверхности. Пленка непрерывно разрушается и уходит от поверхности нагрева в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся пленки возникает новая. Такое кипение называется пленочным. В этих условиях теплота от поверхности нагрева к жидкости передается в основном за счет теплопроводности паровой пленки, что существенно снижает коэффициент теплоотдачи (зона III). Когда пленка покрывает всю поверхность нагрева, условия теплообмена стабилизируются, и при дальнейшем увеличении T коэффициент теплоотдачи практически не изменяется.

В области перехода пузырчатого кипения в пленочное зависимость имеет максимум. Режим, отвечающий максимальному значению коэффициента теплоотдачи, называют к р и т и ч е с к и м. Критические величины зависят от природы жидкости и давления. Например, для воды при p = 0,1 МПа значение ∆T_кр = 25 К и α_кр = 5,8 × 10⁴ Вт/(м² × К). При критическом режиме теплоотдача в 250 раз интенсивнее, чем в начале развитого пузырчатого кипения.

В процессе кипения жидкости перенос теплоты сопровождается образованием и движением пузырьков пара и перемешиванием жидкости. Это очень усложняет процессы исследования теплоотдачи, затрудняет обобщение опытных данных и получение критериальных уравнений.

Для оценки коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении однокомпонентных жидкостей в большом объеме в работе [12] рекомендуется выражение:

(7.25)

где ρ_ж и ρ_п – плотности жидкости и пара;

λ, ν, σ – свойства жидкости: коэффициент теплопроводности, коэффи-

циент кинематической вязкости, коэффициент поверхностного натяжения;

Т_н – температура насыщения;

– плотность теплового потока, подводимого к поверхности нагрева.

Все теплофизические свойства определяются при температуре насыщения.

При напорном течении кипящей жидкости в трубах интенсивность теплообмена определяется вынужденной конвекцией и влияющим на нее процессом парообразования. Если скорость течения жидкости мала, то интенсивность теплоотдачи определяется, главным образом, разрушением вязкого подслоя образующимися на поверхности нагрева паровыми пузырьками. При

больших значениях с вынужденное течение подавляет влияние кипения. Расчетное значение коэффициента теплоотдачи рекомендуется определять в зависимости от соотношения между коэффициентом теплоотдачи α_к, рассчитанным по выражению (7.25), и α_с, рассчитанным по формулам конвективного теплообмена при вынужденном течении однофазной жидкости:

При < 0,5 принимают α = α_с; при >2 принимают α = α_к.

В области 0,5< <2 используют зависимость

7.5.2. Теплоотдача при конденсации пара

При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, происходит конденсация. На поверхности, не смачиваемой образовавшимся конденсатом, жидкость осаждается в виде отдельных капель (капельная конденсация). На смачиваемой поверхности конденсат образует сплошную пленку (пленочная конденсация). В теплообменных аппаратах и различных технических устройствах, где имеет место теплообмен при той или другой конденсации, наиболее распространена пленочная конденсация.

На вертикально расположенных стенках или трубах пленка конденсата будет стекать вниз под действием гравитационных сил, при этом ее течение может иметь ламинарный или турбулентный режим.

В работе [12] приводятся выражения среднего коэффициента теплоотдачи по высоте вертикально расположенной стенки или трубы в процессе пленочной конденсации неподвижного пара.

При Z< 2300 (ламинарный режим течения пленки)

. (7.26)

При Z>2300 (турбулентный режим течения пленки)

(7.27)

В горизонтальной трубе при ламинарном режиме течения пленки в неподвижном паре для определения в [12] рекомендуется уравнение:

(7.28)

В формулах (7.26...7.28) обозначено:

Z - комплекс, определяемый из выражения

; (7.29)

ε_t - поправка на переменность физических свойств конденсата,

ε_t = ; (7.30)

r – удельная теплота парообразования;

ρ_ж, ν, μ, λ и Рr_ж – соответственно, плотность, вязкость (кинематиская

и динамическая), теплопроводность и критерий Прандтля при температуре жидкости;

Н, d – высота стенки, диаметр трубы;

∆Т – температурный напор;

λ_ст, μ_ст, Рr_ст – физические свойства конденсата при температуре стенки;

g – ускорение земного притяжения.

При вынужденном течении пара относительно поверхности конденсации поток оказывает динамическое воздействие на пленку. В результате толщина конденсатной пленки уменьшается, если пар движется в направлении действия гравитационных сил и увеличивается при движении пара снизу вверх. Соответственно, увеличивается или уменьшается коэффициент теплоотдачи.