Теплообмен при кипении жидкости

Механизм теплоотдачи при кипении жидкости

В курсе термодинамики при изучении процесса парообразования (и конденсации) принималось, что обе фазы в процессе изменения агрегатного состояния жидкости находятся при одинаковой температуре насыщения t_s, однозначно определяемой их давлением p_s.

Однако процесс парообразования связан с подводом теплоты, а для возникновения теплового потока, как известно, необходимо наличие температурного градиента. Поэтому на границе раздела фаз должна существовать некоторая разность температур. Опыт подтверждает, что кипящая жидкость всегда несколько перегрета и на границе раздела фаз устанавливается небольшая разность температур Дt = t_yK-t_s, тем большая, чем интенсивнее происходит процесс парообразования (для воды при атмосферных условиях At = 0,4+0,8°С).

В кипящей жидкости устанавливается вполне определенное температурное поле, зависящее от условий теплообмена между фазами (паром и водой) и от условий теплообмена с окружающей средой, в том числе и с поверхностью нагрева. На рис. 9.14 показан полученный опытным путем график распределения температур в толще кипящей воды в зависимости от расстояния от поверхности нагрева (процесс протекает при атмосферном давлении при подогреве воды снизу).

Из рис. 9.14 следует, что температура жидкости /:_ж не сохраняет постоянного значения, а изменяется, повышаясь по мере приближения к поверхности нагрева.

У самой поверхности нагрева частицы жидкости имеют температуру, равную температуре стенки t_CT, и здесь перегрев жидкости, по сравнению с температурой насыщения t_s, наибольший: At_CT =t_cr-t_s (температурный напор Дг_ст может достигнуть значения 25°С).

Установлено, что пузырьки пара образуются только на поверхности нагрева, где перегрев жидкости, как указано, достигает наибольшего значения, и зарождаются они только в отдельных точках обогреваемой поверхности, называемых центрами парообразования. Центрами парообразования являются пузырьки газа, адсорбированные поверхностью, неровности самой поверхности (микрошероховатости) и т.п. Чем больше действующих центров парообразования, тем интенсивнее протекает процесс парообразования.

Рис. 9.14. Распределение температур в объеме кипящей жидкости (t_s = 100°С, At = 0,4°С, t_CT = 109,1°С)

Давление насыщенных паров над вогнутой частью поверхности раздела фаз больше, чем над выпуклой частью. В условиях равновесия разность этих давлений, согласно формуле Лапласа, уравновешивается давлением, создаваемым поверхностным натяжением. Применительно к сферическому пузырьку пара радиусом г_п разность давлений (Па) будет

где р — давление внутри пузырька пара, На; p_s — давление насыщения над плоской поверхностью, Па; а — поверхностное натяжение жидкости, Н • м; р' — плотность жидкости, кг/м³; р" — плотность сухого насыщенного пара, кг/м³.

Так как р > p_s, то и температура насыщения ^.внутри пузырька пара выше температуры насыщения t_s над плоской поверхностью при давлении жидкой фазы. Температура насыщения /.является для данной жидкости функцией давления t_s = /(р).

Следовательно,

Обозначив t_r -t_s = At_r, получим из выражения (9.41)

Из формулы (9.43) следует, что чем выше перегрев жидкости At_r> тем меньше радиус пузырька пара г. Это означает, что зарождение пузырьков пара происходит па поверхности нагрева, где At,. достигает максимума, равного At,. = Д?_ст = t_CT-t_sy а зародившиеся пузырьки пара (центры парообразования) имеют минимальный радиус r_min.

По формуле (9.43) при At,. =At_CT определяется наименьший возможный радиус пузырька пара. При г_п < r_u min давление внутри пузырька больше равновесного, следовательно, пузырьки пара при г < г_п min нс могут существовать.

Опытом также установлено, что чем меньше радиус зарождающегося пузырька пара, т.е. чем больше перегрев жидкости, тем больше число действующих центров парообразования и тем интенсивнее протекает процесс парообразования.

Размер образовавшегося на поверхности нагрева пузырька пара радиусом г_п min начинает увеличиваться и в момент отрыва от поверхности значительно зависит от смачивающей способности жидкости. Если кипящая жидкость смачивает поверхность (например, вода, керосин), то пузырек пара имеет тонкую ножку (рис. 9.15, а) и легко отрывается, а если поверхность не смачивается (например, ртуть), то пузырек имеет толстую ножку (рис. 9.15, б) и в связи с этим отрывается от поверхности с большим трудом, т.е. при достижении им большего объема. Размеры пузырька в момент отрыва от поверхности зависят от подъемной силы, действующей вверх, и силы поверхностного натяжения, прижимающей пузырек к поверхности, а также от динамического воздействия циркулирующего потока жидкости.

Рис. 9.15. К образованию парового пузырька у смачивающих (а) и несмачивающих (б) жидкостей

Смачивающая способность жидкости определяется краевым углом 0. Если 0 < 90°, то жидкость считается смачивающей поверхность (для воды 0 = 50°); при 0 > 90° считается, что жидкость несмачивающая.

В соответствии с изложенным можно считать, что пузырьки пара возникают именно в тех углублениях и впадинах микрошероховатости, где местные условия смачивания ухудшены, что вызывается неоднородностью материала поверхности, инородными включениями, загрязнением поверхности адсорбционными пленками масел и жиров, механическими напряжениями и т.д.

Оторвавшийся от поверхности пузырек пара всплывает в толще воды и, как показали специальные наблюдения, во много раз увеличивается в объсмс вследствие интенсивного испарения окружающей жидкости в объеме пузырька. Последнее объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи от воды к пару достигает значений 200 000 Вт/(м² • К). Объем пузырька пара тем больше, чем выше перегрев жидкости и чем больше длительность всплытия пузырька.