Теплоотдача при кипении жидкости
Фазовые превращения вещества - кипение, испарение, конденсация, сублимация - сопровождаются существенным изменением условий теплообмена около поверхности. Переход теплоносителя из одного агрегатного состояния в другое влияет на механизм и интенсивность теплообмена.
Теплообмен при кипении воды является важнейшим процессом, протекающим в парогенераторах (котлах), различных испарителях и атомных реакторах, и по своей физической сущности отличается большой сложностью.
Процесс парообразования - кипение характеризуется образованием новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.
Возникновение процесса кипения возможно только при наличии в жидкости центров парообразования, которыми являются взвешенные частички и неровности, микротрещины поверхности нагрева, а также адсорбированные на поверхности нагрева газы. При испарении жидкости в полости пузырей объем их увеличивается, и пузыри, достигнув определенного размера, отрываются от стенки. Размер пузыря при обрыве определяется условиями механического равновесия между подъемной силой, стремящейся оторвать пузырек от поверхности и силой поверхностного натяжения, удерживающего его на поверхности.
После зарождения паровые пузыри быстро растут, отрываются от поверхности и всплывают, но небольшие части их остаются на поверхности и служат зародышами следующих пузырей (рис. 3.7).
Сами пузыри забирают от обогреваемой поверхности немного теплоты, но они интенсивно перемешивают жидкость во всем объеме и главное - в пограничном слое, приводя к резкой интенсификации теплоотдачи к кипящей жидкости по сравнению с обычной естественной конвекцией.
Рис. 3.7. Схема зарождения паровых пузырей в микроi ретине обогреваемой поверхности (а) и распределение температуры по высоте сосуда с кипящей водой (б)
Число центров парообразования на греющей поверхности увеличивается по мере роста плотности теплового потока <7, поскольку при этом увеличивается перегрев жидкости у стенки.
Механизм парообразования и интенсивность теплообмена определяются разностью температур стенки и жидкости At = tc- /ж (температурным напором).
На рис. 3.8 изображена типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и тепловой нагрузки (плотности теплового потока) от температурного напора.
При значениях At < 5°С количество отделяющихся от поверхности нагрева пузырьков невелико, и пузырьки не способны еще вызвать существенного перемешивания жидкости. В этих условиях интенсивность теплообмена определяется свободным движением жидкости и коэффициент теплоотдачи слабо увеличивается с ростом At. Такой режим кипения называется конвективным (зона естественной конвекции на рис. 3.8).
Дальнейшее увеличение температурного напора At сопровождается ростом числа пузырьков пара, и их движение после отрыва вызывает интенсивное перемешивание жидкости. Наступает режим развитого пузырькового кипения, при котором коэффициент теплоотдачи и тепловая нагрузка резко возрастают (зона пузырькового кипения на рис. 3.8).
Рис. 3.8. Зависимость плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи а от перегрева стенки Д/ = /с - /и (в логарифмических координатах)
При некоторой величине Д/ отдельные пузырьки пара начинают соединяться и образуют паровую пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности нагрева, а затем отделяет полностью жидкость от поверхности нагрева.
Пленка периодически разрушается и уходит от поверхности в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся пленки возникает новая. Такое кипение называется пленочным.
В этих условиях теплота передается от поверхности нагрева к жидкости путем теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения, а испарение происходит с поверхности пленки. Так как теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, то появление паровой пленки приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи (зона пленочного кипения на рис. 3.8).
Когда пленка устойчиво покроет всю поверхность нагрева, условия теплообмена стабилизируются и при дальнейшем росте At коэффициент теплоотдачи остается практически неизменным, а тепловая нагрузка увеличивается пропорционально At.
В области перехода пузырькового кипения в пленочное зависимость q =j{At) имеет максимум.
Величины Д/, q, а, соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочное, называются критическими.
Критические параметры, соответствующие переходу пузырькового кипения в пленочное, для воды равны: At = 25°С, а = 46500 Вт/(м2 • К), ^кр1 = 1,16 106 Вт/м2.
В технике стараются не приближаться к критической тепловой нагрузке #кр1, соответствующей переходу к пленочному режиму кипения. Дело в том, что в аппаратах, в которых тепловой поток задается независимо от интенсивности теплоотдачи (например, в электронагревателях), случайное, даже непродолжительное по времени, превышение тепловой нагрузки над <7кр) приведет к переходу в пленочный режим кипения и температура нагревателя резко возрастет - почти на 1000°С (см. рис. 3.8). Даже легированные стали не выдерживают столь высоких температур. Обратный переход к пузырьковому кипению происходит только при достаточно сильном снижении тепловой нагрузки (до дкр2).
Для расчета для воды при пузырьковом режиме кипения при р = 1-200 бар можно использовать формулу:
где ps - давление насыщенных паров воды; А/ - температурный напор (А/ = /.- /s); q - тепловая нагрузка, Вт/м2.
