Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении

Кипением называется процесс парооб­разования, происходящий в слое жидкости. В зависимости от тепловой нагрузки может быть пузырьковое или пленочное кипение. При пузырьковом кипении на поверх­ности теплообмена в так называемых цент­рах парообразования возникают отдельные пузырьки. При хорошо смачивающейся поверхности нагрева жидкость подтекает под основание пузырьков и способствует их отрыву от поверхности (рис. 5, а). На несмачиваемой поверхности пузырьки пара имеют широкое основание и достигают перед отрывом больших размеров (рис. 5, б); при этом значительная часть теплообменной поверхности покрывается паром и вследствие его плохой теплопроводности величина коэффициента теплоотдачи будет меньше, чем при кипении хорошо смачивающих стенку жидкостей.

Рис. 5. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а) и несмачиваемой (б) поверхности.

При пузырьковом кипении жидкости ее пограничный слой перемешивается (турбулизируется) образующимися и отрывающимися от стенки па­ровыми пузырьками. Чем больше центров парообразования и чем чаще отры­ваются пузырьки от поверхности, тем интенсивнее становится теплообмен. Число же центров образования паровых пузырьков и частота их отрыва и, следовательно, интенсивность теплоотдачи при кипении зависит от раз­ности температур между поверхностью нагрева и кипящей жидкостью.

По мере движения пузырька вверх через слой жидкости объем пузырька увеличивается обычно в несколько десятков раз. Это доказывает, что значительное количество тепла пузырьку передается от самой жидкости, так как она обычно бывает перегрета. Перегрев жидкости бывает тем выше, чем меньше центров парообразования на поверхности нагрева и в самой жидкости. Центрами парообразования служат на твердой поверхности впадины, ко­торые имеются на ней вследствие ее шероховатости, а жидкости – пузырьки газа или взвешенные в ней твердые частички.

Пленочное кипение возникает при больших тепловых нагрузках и характеризуется образованием сплошного слоя пара между поверхностями нагрева и массой жидкости. Вследствие того, что при пленочном кипении жидкость от поверхности нагрева отделена паровым слоем, имеющим большое термическое сопротивление, интенсивность теплоотдачи при переходе от пузырькового кипения к пленочному резко падает.

Визуальное изучение процесса кипения на единичных вертикальных трубах в большом объеме жидкого кислорода и азота позволили установить следующее: по мере увеличения (от нуля) удельной тепловой нагрузки на стенке рабочей трубы начинается хорошо заметная конвекция прилежащих к ней слоев жидкости. Интенсивность ее с ростом тепловой нагрузки все время увеличивается; наконец, при значении q = 2450 вт/мг (∆t = 4 град) на трубе, в отдельных ее местах, начинается кипение. Дальнейшее увеличение q приводит к быстрому возрастанию числа действующих на стенке центров кипения и в конце концов участки поверхности трубы, на которых происходит конвекция некипящей жидкости, совсем исчезают. При достижении нагрузок порядка qкр1 = 110 000 вт/м2 (при темпера­турном напоре для кислорода ∆tкp = 8,8 град, для азота ∆tкр= 7 град) пузырьковый процесс переходит в пленочный (верхний кризис). Постепенно с увеличением нагрузки трубка приобретает вишневый цвет, затем красный и наконец, становится светло-желтой, что указывает на очень высокую температуру трубки, доходящую до 800° С.

При снижении удельной тепловой нагрузки (от значений q >qкр) пленочное кипение сохраняется до более низких ее значений. Нижний кризис наступает для кислорода при qкp2 = 38 000, а для азота при 16000–17500 вт/м2.

При этих нагрузках происходит разрушение паровой пленки и процесс приобретает пузырьковый характер. При последующем уменьшении q интенсивность парообразования постепенно падает. При q = 1500÷1300 вт/м2 (∆t = 1,8÷1,4 град) парообразование прекращается полностью, после этого процесс возвращается к режиму чистой конвекции.

Область перехода от конвекции жидкости к пузырьковому кипению обладает интересной и практически важной особенностью, которая заключается в наличии своеобразного гистерезиса. При одном и том же значении q зависимости от первоначальной нагрузки процесс идет либо как чистая однофазная конвекция, либо как слабо развитое кипение. Соответственно сильно отличаются и коэффициенты теплоотдачи.

Визуальные наблюдения за движением кипящего кислорода в вертикальных трубах на стеклянных моделях показали, что в нижней части трубы, занятой зоной подогрева, движется светлая жидкость. Затем образуются от­дельные центры парообразования. По мере продвижения вверх парожидкостного потока мелкие пузырьки пара сливаются в крупные и течение пара приобретает «поршневой» характер. Каждый паровой «поршень» дви­гает перед собой жидкостную пробку, в то время, как часть жидкости движется в виде тонкой пленки между «поршнем» и стенкой трубы. С увеличением скорости паров жидкостные пробки разрушаются и форма потока переходит в «стержневую». В этом случае пар движется в средней части трубы, увлекая с собой жидкость, которая поднимается по стенке трубы в виде пленки.

Чем выше скорость пара, тем тоньше двигающаяся по стенке пленка жидкости. При повышении скорости движения паров в трубе, например, вследствие увеличения отношения длины трубы к диаметру l/d и при уменьшении кажущегося уровня Н относительная протяженность трубы, заня­тия «поршневой» и «стержневой» формами течения, увеличивается в резуль­тате сокращения участка пузырькового режима движения и зоны подогрева.

При кипении тонкого слоя жидкости в трубе, толщина которого меньше отрывного диаметра пузырька Do, паровой пузырек может соединиться с паро­вым пространством ранее, чем достигнет отрывного диаметра (рис. 6), что увеличивает частоту зарождения и отрыва пузырьков. Увеличение частоты отрыва пузырьков пара и уменьшение ламинарного подслоя в результате снижения толщины кольцевой пленки жидкости при кипении в трубе, а также испарение со свободной поверхности пленки увеличивают интенсивность теплоотдачи.

Уменьшение отношения l/d (при одинаковой тепловой нагрузке) приводит к снижению скорости движения паров, вследствие этого увеличивается толщина пристенного слоя жидкости и уменьшается часть теплообменной поверхности, занятая кипением и испарением тонкой пленки жидкости.

На рис. 6 показано влияние на коэффициент теплоотдачи геометри­ческих размеров труб при Н = 0,9; для заданной тепловой нагрузки с уве­личением отношения l/d в 5 раз коэффициент теплоотдачи может увеличи­ваться почти в 2 раза. При значениях l/d < 80, механизм кипения в трубе начинает приближаться к меха­низму кипения в большом объеме. Таким образом, коэффициент теп­лоотдачи при кипении в трубах зависит от структуры парожидкостного потока и скорости движения жидкости непосредственно у поверхности теплообмена. В условиях естественной циркуляции структура потока и скорость движения жидкости по всей длине трубы определяются интенсивностью парообразования; при этом скорость движения паров ωвых выходе из трубы связана со всеми факторами, влияющими на процесс теплоотдачи как в зоне кипения, так и в зоне подогрева жидкости.

Рис. 6. Зависимость диаметра парового пузырька в момент отрыва от толщины слоя кипящей жидкости.

Основная особенность гидродинамики процесса кипения в трубах, по сравнению с кипением в свободном объеме, заключается в том, что часть теплообменной поверхности, протяженность которой зависит от тепловой нагрузки, отношения геометрических размеров l/d и кажущегося уровня Н, покрыта быстродвижущимся тонким слоем кипящей жидкости. Наибольшая интенсивность тепло­отдачи наблюдается в самом начале циркуляции, когда из трубы выбрасы­вается небольшое количество жидкости, и вся поверхность ею уже омывается.

При отношении l/d > 500, а также при тепловых нагрузках q = 0,1 qкр (где qкp — критическая нагрузка при кипении в свободном объеме) интенсив­ность теплоотдачи при кипении кислорода в трубах не зависит от Н, однако эти случаи практически в воздухоразделительных установках не встречаются. Для каждого размера труб существует определенный диапазон эффек­тивных рабочих параметров, за границами которого происходит ухудше­ние теплоотдачи из-за прекращения циркуляции или из-за возникновения «сухого режима» работы в верхней части трубы. Поэтому для заданных раз­меров труб и гидродинамических условий существуют вполне определенные эффективные тепловые нагрузки и, наоборот, заданной удельной тепловой нагрузке и кажущемуся уровню отвечает определенный, наиболее эффектив­ный (в смысле теплообмена) геометрический размер трубы.

Явление гистерезиса при переходе от режима, соответствующего одно­фазной конвекции, к кипению в трубах связано с тем, что в зависимости от направления изменения тепловой нагрузки распределение поверхности трубы между зонами подогрева жидкости и кипения различно.