Теплоотдача при кипении жидкости в большом объеме

Рассмотренный процесс развития в центрах парообразования отдельных пузырьков пара и их дальнейшего всплытия характерен для режима пузырькового кипения. В этом случае основная часть поверхности нагрева омывается жидкостью, причем жидкость, а в особенности находящаяся у поверхности нагрева, хорошо перемешивается благодаря отрыву и дальнейшему всплытию пузырьков пара. Поэтому между жидкостью и поверхностью нагрева происходит интенсивный теплообмен.

Учитывая, что площадь соприкосновения ножки пузырька пара по сравнению с площадью поверхности теплообмена весьма мала, а теплопроводность пара во много раз меньше теплопроводности жидкости, можно без особой погрешности принять, что при пузырьковом кипении вся теплота передается от поверхности нагрева к пристенному слою жидкости, затем конвекцией переходит к жидкости, заполняющей объем, и далее расходуется на испарение жидкости в пузырьках пара (это объясняет значительный рост пузырьков пара во времени их всплытия).

Частота появления пузырьков в центрах парообразования и число действующих центров парообразования, как указывалось, зависят от температурного напора Д?_ст, увеличиваясь с ростом последнего. В то же время Д?_ст, как это понятно, возрастает с увеличением поверхностной плотности теплового потока д (отношения теплового потока к площади поверхности теплообмена). Поэтому при пузырьковом кипении с ростом Д?_ст или с ростом поверхностной плотности теплового потока ц интенсивность теплообмена увеличивается.

С увеличением ?/ (или Д?_ст) число действующих центров парообразования непрерывно увеличивается, и в определенный момент их становится так много, что образующиеся пузырьки пара сливаются в один сплошной паровой слой — пленку. Эта пленка ввиду относительно малой теплопроводности пара изолирует поверхность нагрева от жидкости, и в связи с этим коэффициент теплоотдачи резко (в 20—30 раз) уменьшается, а температура Д?_ст значительно возрастает. Такой режим кипения жидкости называется пленочным. Переходу от пузырькового кипения к пленочному соответствует так называемая критическая поверхностная плотность теплового потока.

На рис. 9.16 показаны график изменения коэффициента теплоотдачи воды а при кипении ее в пространстве большого объема от температурного напора Д?_ст и зависимость ц от Д?_ст (штриховая кривая). Точка К при Д?_ст = Д?_кр соответствует изменению режима кипения — началу пленочного режима.

Рис. 9.16. Зависимость коэффициента теплоотдачи а и плотности теплового потока <7 от температурного напора А?_ст

при кипении воды

Начальный участок кривой а =/(Д?_ст) до точки А пролегает менее круто, чем участок АК. На участке до точки А (для воды Д?_ст = 5°С и д = 6 кВт/м²) перемешивающая роль пузырьков пара невелика, и коэффициент теплоотдачи в основном определяется естественной конвекцией жидкости. За точкой А движение жидкости становится более интенсивным (большим, чем при естественной конвекции в некипящей жидкости) вследствие перемешивающего влияния бурно образующихся пузырьков пара.

Знание значения критической плотности теплового потока при кипении жидкости имеет большое практическое применение при расчетах теплообменников с кипящей жидкостью (кипятильники, паровые котлы). В таких теплообменниках всегда должен быть обеспечен пузырьковый режим кипения, т.е. д < д_к.

Если поверхность не смачивается жидкостью, то при росте пузырька отрывается только его верхняя часть, а ножка остается на поверхности. В связи с этим получается почти сплошная паровая пленка, отделяющая жидкость от поверхности нагрева (явление, аналогичное переходу за Д?_кр при пузырьковом кипении), и, естественно, в этом случае интенсивность процесса парообразования невелика.

При развитом пузырьковом кипении в большом объеме теплоотдача не зависит от формы и расположения теплоотдающей поверхности. В связи с этим ускорение поля тяжести практически не влияет на теплоотдачу. При этих условиях уравнение теплообмена для развитого пузырькового кипения может быть записано в следующем виде:

где

где а_ж — коэффициент температуропроводности жидкости.

В качестве линейного определяющего размера в (9.44) принимают величину /', пропорциональную линейному размеру пузырька пара в момент его зарождения.

В число Рейнольдса входит приведенная скорость кипения, м/с,

где q — поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²; г — удельная теплота парообразования, Дж/кг; р" — плотность пара, кг/м³.

Д. А. Лабунцевым уравнение (9.44) было положено в основу обобщения многочисленного опытного материала по кипению различных жидкостей, в результате чего была получена следующая формула:

Физические параметры, входящие в числа подобия, определяются при температуре насыщения. Значения постоянных в уравнении (9.46) составляют:

К недостаткам приведенной зависимости относится необходимость иметь данные о теплофизических свойствах жидкости и пара при рабочем давлении, которые неизвестны для многих веществ. В связи с этим на практике широко используют зависимости, основанные на минимальном числе данных по теплофизическим параметрам. Так, по многочисленным исследованиям коэффициента теплоотдачи а, при пузырьковом кипении жидкости установлена зависимость

Постоянные С₁ и С₂ зависят от рода кипящей жидкости и от давления, при котором протекает процесс.

Для воды в диапазоне давлений от 0,1 до 4,0 МПа в области интенсивного кипения уравнение (9.47) имеет следующие вид:

Отметим, что приведенные данные и формулы для подсчета коэффициентов теплоотдачи относятся к случаю, когда подогрев жидкости происходит снизу. Если поверхность нагрева обращена вниз, то отделение пузырьков пара от поверхности резко ухудшается и коэффициент теплоотдачи а уменьшается.