Динамическая кривая кипения

‏薤 Величина ‏薤 сплошная ‏薤 линия ‏薤 соответствует ‏薤 уравнению ‏薤.Все физические свойства в этой формуле следует выбирать по температуре насыщения. На рисунке 14 приведены опытные данные разных исследователей по теплообмену при кипении воды на разных поверхностях нагрева в форме зависимости средних (при данном давлении) величин от отношения плотностей пара и жидкости. Линия на графике отражает средний уровень теплоотдачи. Она соответствует формуле (10). Отклонения данных разных исследователей от этой зависимости в основном объясняются не погрешностями измерений, а различием в поверхностных условиях.

Эти отклонения лежат в целом в пределах ± 35%.На рисунке 7 в такой же обработке приведены опытные данные по теплоотдаче при кипении в большом объеме других жидкостей. На основе общего уравнения для каждойжидкостиможно получить также более простые расчетные соотношения. Для этого следует рассчитать значение коэффициента, стоящего перед плотностью теплового потока в уравнении, при разных давлениях. В результате такого анализа для воды расчетная формула может быть представлена в видеq — Вт/м2. Формула применима в диапазоне давлений от 1 до 200 бар. На рисунок 7 основные опытные данные для воды (представленные в виде зависимости величины от давления) сопоставлены с данными, рассчитанными по формуле.

Видно, что эта формула, так же как и общее соотношение, отражает некоторый средний уровень теплоотдачи. Действительные значения, а могут отличаться от рассчитанных по уравнениям в указанных выше пределах из-за возможного влияния поверхностных эффектов. Рисунок 7. Теплообмен при кипении различных жидкостей в условиях свободного движения. Бензол: 1—3 — данные [5], нержавеющая сталь, никель, серебро соответственно 4 — данные [4], хромированная поверхность; 5 — данные [1], нержавеющая сталь; гептан: 6 — данные [4]; этиловый спирт: 7 — данные [4]; 8 — 10 — данные [3]; фреон-12: 11 — данные 5], нержавеющая сталь; фреон-22: 12 — данные [2], нержавеющая сталь;

аммиак: 13 — данные [3]. нержавеющая сталь; дифенил: 14 — данные [1], нержавеющая сталь, сплошная линия соответствует уравнению. Опыты показывают, что при вынужденном движении жидкости закономерности теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении подчиняются соотношениями.

Это следует из рисунка 8 и 9, на которых представлены также опытные данные при интенсивном кипении насыщенной и недогретой воды, движущейся в трубах и кольцевых каналах. Рисунок 8. Зависимость от р при кипении воды (обозначения точек те же, что на рисунке 7. Интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении практически не зависит от уровня сил тяжести. На рисунке 7 показаны опытные данные по теплоотдаче при кипении воды в большом объеме при изменении ускорения от ускорения свободного падения до 135-кратных перегрузок. Приведенные данные показывают, что интенсивность теплообмена не изменяется. Эти опыты проводились на центрифугах, где за счет изменения частоты вращения создавались соответствующие перегрузки.

При уменьшении силы тяжести ниже уровня силы земного притяжения теплоотдача, как показывают опыты, практически не изменяется. Однако при полной невесомости организация длительного кипения в большом объеме, по-видимому, невыполнима, так как в невесомости прекращается отвод образующегося пара от поверхности нагрева. В области весьма низких давлений процесс кипения приобретает ряд новых особенностей. Основные из них состоят в появлении нерегулярного, пульсирующего во времени процесса вскипания, в возникновении значительных перегревов жидкости и появления звуковых эффектов (стуков).Интенсивность средней теплоотдачи при этом заметно снижается. Своеобразные закономерности проявляются при кипении жидкости в тонких пленках (толщиной менее 1 мм), создаваемых на поверхности за счет ее орошения потоком капель. В целом приведенные данные показывают, что для процесса пузырькового кипения характерны высокая интенсивность теплоотдачи и возможность отвода с единицы поверхности весьма значительных потоков теплоты. Последние величины ограничены значением первой критической плотности теплового потока. Рисунок 9. Теплообмен при пузырьковом кипении воды при разных отношениях. Ограничение в процессе отвода теплоты объясняется тем, что при достижении определенной интенсивности парообразования ухудшаются условия подвода жидкости к отдельным участкам поверхности нагрева. Жидкая пленка на этих участках начинает периодически пересыхать.

В итоге эффективная доля поверхности, участвующая в процессе отвода теплоты, уменьшается. Развитие такого процесса зависит от характера циркуляции жидкости и пара вблизи поверхности нагрева и интенсивности отвода паровых объемов от самой поверхности. Определенное влияние оказывают также условия смачивания, шероховатость и другие характеристики поверхности. При кипениижидкости на горизонтальных трубах и плитах в условиях свободного движения (большого объема) скорость отвода пара от поверхности в основном определяется силой, вызываемой ускорением свободного падения. Значения для этих условий могут рассчитываться по формуле:

Это соотношение получается из следующих представлений о кризисе кипения, как о чисто гидродинамическом явлении. По мере увеличения плотности теплового потока q при пузырьковом кипении возрастают приведенная скорость парообразования и динамический напор потока пара, образующегося около поверхности нагрева. При определенной величине наступает гидродинамическая перестройка структуры пристенного двухфазного слоя, в результате которой поступление к поверхности кипения достаточных порций жидкости оказывается затрудненным. Это приводит к кризису кипения. Момент гидродинамической перестройки двухфазного слоя должен характеризоваться определенным соотношением между динамическим напором потока пара силой тяжести и силой поверхностного натяжения Величина есть характерный линейный размер системы. Из соображений теории размерностей между этими тремя величинами должна существовать следующая безразмерная функциональная взаимосвязь:

где f — есть пока произвольная функция. По опытным наблюдениям критическая плотность теплового потока не зависит от линейных размеров нагревателя. Поэтому вид функции должен быть таким, чтобы в предыдущем соотношении размер сокращался. Этому условию удовлетворяет лишь зависимость вида.

Где есть некоторое положительное безразмерное число. Решая это соотношение относительно величины, получим:

и далее, заменяя на, приходим окончательно к уравнению для первой критической плотности теплового потока:

Числовой коэффициент, А остается неопределенным. Он был определен из сравнения последнего соотношения с опытными данными и оказался равным примерно 0,14. Так получается уравнение 12. Соотношение 12 определяет некоторый средний уровень величины, тогда как действительные значения первой критической плотности теплового потока из-за влияния поверхностных условий и статистической природы процесса кипения могут отличаться от рассчитанных примерно до ± 35%. Опыты показывают, что величины при кипении жидкости в большом объеме практически не зависят от размера поверхности, если обеспечены условия для свободного отвода пара от поверхности нагрева. Когда отвод пара затруднен (например, горизонтальная плита, обращенная греющей стороной вниз), значения существенно уменьшаются. То же наблюдается в случае кипенияжидкости, которая не смачивает поверхность нагрева. Улучшение условий смачивания приводит к увеличению критических тепловых потоков. В ряде опытов отмечалось повышение критических потоков при увеличении шероховатости поверхности, а также при выпадении налетов и накипи на поверхности.

Влияние ускорения свободного падения на величины, предсказываемое формулой, в среднем подтверждается опытными данными. При кипениижидкости внутри труб и каналов в условиях вынужденного движения интенсивность отвода пара от поверхности и соответственно величина зависят от скорости движения и характера турбулентного перемешивания в потоке. Большое влияние в этих условиях на оказывает также паросодержание самого потока. Опыты показывают, что при увеличении паросодержания значения уменьшаются. При кипении с недогревом вследствие конденсации паровых пузырьков около теплоотдающей поверхности благоприятные условия для подвода жидкости к поверхности нагрева сохраняются вплоть до очень высоких тепловых потоков. Поэтому значения при кипении с недогревом обычно оказываются достаточно большими, причем с увеличением степени недогрева (определяемого величиной, где— средняя температура жидкости в данном сечении) увеличивается. Исследованиям кризиса кипения жидкости, движущейся в трубах и каналах, посвящено большое число работ. Однако из-за сложного взаимного влияния различных факторов простых и универсальных зависимостей для до настоящего времени получить не удалось. Поэтому расчет критических тепловых нагрузок следует проводить по непосредственным (частным) данным, полученным из опытов с такими же жидкостями и в соответствующих условиях. Теплообмен при пленочном кипении. При пленочном режиме кипящая жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой, причем температура поверхности значительно превышает температуру насыщения.

Поэтому наряду с конвективным теплообменом между поверхностью и паровой пленкой при высоких температурах заметная часть в переносе теплоты принадлежит тепловому излучению. Интенсивность конвективного теплообмена при пленочном кипении определяется термическим сопротивлением паровой пленки. Характер движения пара в пленке и ее толщина зависят от размеров и формы поверхности нагрева и ее расположения в поле тяжести, а также от условий движения жидкости. Так, при пленочном кипении на поверхности горизонтальных труб в условиях свободного движения (в большом объеме) пар движется вдоль периметра трубы к верхней образующей и по мере накопления периодически удаляется в форме отрывающихся пузырей. Паровая пленка имеет толщину, измеряемую долями миллиметра, а движение пара в ней носит ламинарный характер. Средние коэффициенты теплоотдачи составляют примерно 100—300 Вт/(м2•°С). Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах в большом объеме следует проводить по формуле.

Эффективная теплота фазового перехода, учитывающая перегрев пара в пленке; D — диаметр трубы. Физические свойства в этой формуле (за исключением плотности жидкости р) относятся к паровой фазе. Их следует выбирать по средней температуре пара:

Рисунок 10. Теплоотдача при пленочном кипении на поверхности горизонтальных труб. Опытные данные (1 — вода; 2 — этиловый спирт; 3 —бензол; 4 — четыреххлористый углерод; 5 —азот; 6—9 — пентан, D = 4.8; 6,05; 8,95 и 11,9 мм соответственно. Рисунок 11. Теплоотдача при пленочном кипении на вертикальных поверхностях.

1 — бензол; 2 — четыреххлорнистый углерод; 3 — метиловый спирт; 4 — аргон; 5 — азот; 6 — этиловый эфир; 7 — этиловый спирт (1—7 — давление атмосферное); 8 — этиловый спирт, давление Па. На рисунке 12приведено сравнение формулы с опытными данными. При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин течение пара в пленке обычно имеет турбулентный (вихревой) характер. Поверхность пленки испытывает волновые колебания, толщина пленки растет в направлении движения пара. Опыты показывают, что теплоотдача практически не зависит от высоты поверхности нагрева, а следовательно, и от расхода пара в пленке. В целом процесс оказывается во многом аналогичным свободной конвекции однофазной жидкости около вертикальных поверхностей. В данном случае подъемная сила, определяющая движение пара в плёнке, определяется разностью плотностей жидкости и пара. Расчет теплоотдачи в этом случае может проводиться по формуле. Физические свойства пара в этой формуле следует выбирать по средней температуре пара. На рисунке 12 приведено сравнение этой формулы с опытными данными по теплоотдаче при пленочном кипении различных жидкостей на поверхности вертикальных труб. Рисунок 12.

Сопоставление зависимости (14) с опытными данными при пленочном кипении воды (1) и фреона (2) на горизонтальной плите 280 X 280 мм и азота на поверхности сферы D = 25,4 мм при нормальном ускорении свободного падения (5) и пониженном ускорении свободного падения. При пленочном кипениижидкости на поверхности горизонтальной плиты значительных размеров поверхность паровой пленки испытывает интенсивные волновые колебания, в результате которых в различных ее точках периодически образуются всплывающие вверх паровые пузырьки. На рисунок 11 приведено сопоставление формулы с опытными данными при пленочном кипении воды и фреона на горизонтальной плите размерами 280×280 мм, а также при пленочном кипении азота на поверхности шара D = 25,4 мм при нормальной и пониженной силе тяжести. Хотя первичные опытные данные характеризуются значительным разбросом. Прекращение пленочного кипения наступает при уменьшении температуры поверхности ниже определенного значения. В эти моменты жидкость начинает касаться (смачивать) теплоотдающей поверхности. Таблица 3. Значения предельных температур некоторых жидкостей.

Опыты показывают, что прекращение пленочного кипения происходит тогда, когда температура поверхности нагрева оказывается равной или обычно несколько более низкой, чем температура предельного перегрева жидкости. Последняя определяет тот максимальный перегрев жидкости, выше которого жидкая фаза оказывается термодинамически абсолютно неустойчивой; она самопроизвольно распадается и испаряется. В работах подробно исследовались значения температур предельного перегрева жидкостей с применением различных методов эксперимента. На рисунке 21 показана зависимость для воды. На этом рисунке показана также линия насыщения воды. Характерной особенностью зависимости является то, что она близка к прямой линии, которая заканчивается в критической точке состояния вещества. В таблице 3 приведены значения для ряда жидкостей при атмосферном давлении. Пленочное кипение прекращается, когда температурный напор оказывается равным или обычно несколько меньшим, чем температурный напор, соответствующий предельному перегреву. Таким образом:

где коэффициент с обычно лежит в пределах 0,8—1,0.При более высоких температурах поверхности жидкость не может соприкасаться с поверхностью нагрева, так как при приближении к поверхности происходит самопроизвольное ее распадение и испарение. Это определяет возможность существования пленочного кипения, несмотря на то, что паровая пленка часто оказывается гидродинамически неустойчивой. Критическая плотность теплового потока при прекращении пленочного режима кипения может быть найдена из соотношения. Примеры расчетов при различных условиях кипения.

Пример 1. Определить интенсивность теплоотдачи и температурные напоры при пузырьковом кипении воды для давлений 10 и 100 бар при тепловой нагрузке. Расчет проводим по формуле (11):При давлении бар имеем:

Пример 2. Определить наибольшие плотности тепловых потоков, которые можно отвести от поверхности нагрева при пузырьковом режиме кипения воды в большом объеме при давлениях и Па. Рисунок 13. Зависимость температуры предельного перегрева воды от давления р. Наибольшие плотности тепловых потоков при пузырьковом режиме кипения составляют значения. Расчет величин проводим по формуле. При давлении Па физические свойства вода. Подставляя эти величины в формулу, имеем:

При давлении физические свойства воды. Имеем:

Пример 4−3. Найти коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока, отводимого конвективным путем от поверхности горизонтальной трубы мм в пленочном режиме кипения при атмосферном давлении, если температура поверхности трубы. Расчет коэффициента теплоотдачи проводим по формуле. Определяющая температура. Физические свойства водяного пара при этой температуре и атмосферном давлении. Эффективная теплота фазового перехода (с учетом перегрева пара в пленке).Подставляя эти величины в формулу, имеем:

Плотность теплового потока.

Пример 4. Решить пример 3 при условии, что труба расположена вертикально. При вертикальном расположении трубы в пространстве течение пара в пленке носит обычно турбулентный характер. Расчет проводим по формуле. Здесь определяющая температура та же. Подставляя значения величин в формулу, имеем:

Плотность теплового потока.

Список использованной литературы1. Аладьев И. Т. Теплоотдача при пузырьковом кипении.— В кн.: Конвективный и лучистый теплообмен. М., Изд-во АН СССР, 1960, с. 233— 255.

2. Аладьев И. Т., Додонов Л. Д., Удалов В. С. Теплоотдача при кипении недогретой воды в трубах.— В кн.: Исследование теплоотдачи к пару и воде, кипящей в трубах при высоких давлениях. М., Госатомиздат, 1958, с. 9—23.

3. Аладьев И. Т., Яшнов В. И. Влияние смачиваемости на кризискипения.— В кн.: Конвективная теплопередача в двухфазном и однофазном потоках. М., «Энергия», 1964, с. 249—278.

4. Алексеев Г. В., Зенкевич Б. А., Субботин В. И. Исследование теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в трубах.— «Теплоэнергетика», 1962, № 4, с. 74—77.

5. Арефьева Е. И., Аладьев И. Т. О влиянии смачиваемости на теплообмен при кипении.— ИФЖ, 1958, т. 1, Nb 7, с 11 — 17.

6. Бойко Л. Д., Кружилин Г. Н. Теплоотдача приконденсациипара в трубе.— «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1966, № 5, с. 113—128.

7. Боришанский В. М., Фокин Б. С. Теплоотдача при пленочномкипениина вертикальной поверхности в условиях свободной конвекции в большом объеме.— В кн.: Конвективная теплопередача в двухфазном и однофазном потоках. М., «Энергия», 1964, с. 221—235.