Теплоотдача при кипении

Кипение – это процесс образования пара при подводе тепла к кипящей жидкости.

Тепловой поток, подводимый к кипящей жидкости, расходуется на процесс парообразования

(8.1)

где F, м² – площадь поверхности нагрева;

Т_с – температура поверхности;

T_s - температуранасыщения;

G, кг/с – количество образовавшегося пара за 1с (расход пара);

r –Дж/кг – теплота парообразования.

Уравнение (8.1) является уравнением теплового баланса процесса кипения.

Для возникновения процесса кипения необходимы два условия:

1. Наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения (t_s), рис. 8.1.

Для воды при атмосферном давлении перегрев Δ Т=T_ж-T_s =0, 2¸ 0, 4°С, максимальный перегрев Δ Т=T_с-T_s может составлять 3¸ 150^оС и выше.

2. Наличие центров парообразования, которыми могут служить микрошероховатости поверхности нагрева, адсорбированные поверхностью пузырьки газа, твердые частицы.

Кипение может происходить во всем объеме жидкости или на твердой поверхности нагрева. В промышленных устройствах кипение, как правило, происходит на поверхности нагрева и может осуществляться в условиях естественной конвекции (кипение в большом объеме) или принудительной циркуляции.

Кипение может быть пузырьковым или пленочным.

При пузырьковом кипении пар образуется в виде пузырьков, периодически зарождающихся около центров парообразования. Зародившийся паровой пузырек с минимальным (критическим) радиусом (r_к) растет, вследствие подвода теплоты, до отрывного диаметра (d₀), затем отрывается от поверхности нагрева и всплывает. Около освободившегося центра парообразования вновь зарождается паровой пузырек. Этот процесс периодически повторяется с определенной частотой – частотой отрыва парового пузырька (f). Величина w¢ ¢ =d₀ f характеризует среднюю скорость роста паровых пузырей.

При пленочном кипении, которое характеризуется большими перегревами (Т_с-Т_s), у поверхности нагрева образуется паровая пленка, отделяющая жидкость от поверхности. Теплопроводность пара значительно меньше, чем жидкости, поэтому интенсивность теплообмена при пленочном кипении в десятки раз ниже, чем при пузырьковом.

Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик и режимных параметров процесса кипения.

К микрохарактеристикам относятся:

· минимальный (критический) радиус парового пузыря (r_к);

· отрывной диаметр пузыря (d₀);

· частота отрыва (f) и скорость роста (w ¢ ¢ ) пузырей.

К режимным параметрам относятся:

· давление кипящей жидкости (р);

· перегрев жидкости (Δ Т=T_с-T_s);

· тепловой поток, подводимый к 1 м² поверхности нагрева (q);

· скорость движения кипящей жидкости (w).

Теоретически и экспериментально установлено, что с увеличением
р, Δ Т, q улучшаются все макрохарактеристики процесса кипения, увеличивается теплоотдача.

Теплоотдача при кипении зависит от свойств кипящей жидкости растет:

· с увеличением коэффициента теплопроводности (l);

· с уменьшением коэффициента поверхностного натяжения (s);

· с уменьшением вязкости жидкости (v).

Влияние на теплообмен при кипении оказывают состояние поверхности нагрева, ее материал, смачиваемость, количество адсорбированных газов и свойства греющей стенки. Теплоотдача растет с увеличением шероховатости поверхности, теплопроводности и толщины греющей стенки. Все эти факторы влияют на число центров парообразования.

Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении практически не зависит от формы и размеров теплоотдающей поверхности.

На рис. 8.2 приведена зависимость теплового потока от температурного напора
ln q=f (ln Δ Т) при кипении жидкости - кривая кипения.

При подводе тепла к поверхности нагрева в условиях естественной конвекции повышается температура поверхности (Т_с), жидкость воспринимает теплоту, нагревается и кипит.

Можно выделить следующие участки кривой кипения, рис. 8.2.:

1 - конвективный теплообмен;

2 - конвективный теплообмен со слабым кипением жидкости;

3 – развитое пузырьковое кипение;

4 – переходная область от пузырькового кипения к пленочному;

5 – пленочное кипение;

6 – пленочное кипение со значительным лучистым теплообменом через паровую пленку.

При максимальном значении теплового потока ( ) наступает кризис кипения, который заключается в изменении режима кипения; называют первой критической плотностью теплового потока.

При кипении жидкостей на горизонтальной плоской поверхности в условиях естественной конвекции первая критическая плотность теплового потока рассчитывается по формуле

(8.2)

где r, Дж/кг – теплота парообразования; r_п, r_ж – плотность паровой и жидкой фаз при температуре насыщения t_s; s, Н/м – коэффициент поверхностного натяжения жидкости; g =9, 8 м/с².

Постепенный переход пузырькового режима в пленочный, осуществляемый на участке СВ на практике реализуется при омывании другой стороны теплопередающей поверхности горячим конденсирующимся паром. В этом случае температура поверхности (Т_с), а следовательно, перегрев жидкости (DТ) определяется давлением конденсирующегося пара и от процесса кипения не зависит.

При электрическом обогреве поверхности или радиационном (в паровых котлах) переход пузырькового кипения в пленочное произойдет скачкообразно (линия СD, рис. 8.2) и может сопровождаться сильным перегревом и разрушением поверхности нагрева. Поэтому в промышленных теплообменниках с кипением жидкостей не допускают q= , обеспечивают q< .