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 = t_c- /_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 °C 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 °C, а = 46 500 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 <7_кр) приведет к переходу в пленочный режим кипения и температура нагревателя резко возрастет — почти на 1000 °C (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 д_кр2).

Для расчета для воды при пузырьковом режиме кипения при р = 1−200 бар можно использовать формулу:

где p_s — давление насыщенных паров воды; А/ - температурный напор (А/ = /.- /_s); q — тепловая нагрузка, Вт/м².