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;
Тс – температура поверхности;
Ts - 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 (ts), рис. 8.1.
Для воды при атмосферном давлении перегрев ΔТ=Tж-Ts=0,2¸0,4°С, максимальный перегрев ΔТ=Tс-Ts может составлять 3¸150оС 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 (rк) 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 (Тс-Тs), 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 (rк);
· отрывной диаметр пузыря (d0);
· частота отрыва (f) и скорость роста (w¢¢) пузырей.
К режимным параметрам относятся:
· давление кипящей жидкости (р);
· перегрев жидкости (ΔТ=Tс-Ts);
· тепловой поток, подводимый к 1 м2 поверхности нагрева (q);
· скорость движения кипящей жидкости (w).
Теоретически и экспериментально установлено, что с увеличением
р, ΔТ, 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 ΔТ) при кипении жидкости - кривая кипения.
При подводе тепла к поверхности нагрева в условиях естественной конвекции повышается температура поверхности (Тс), 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; rп, rж – плотность паровой и жидкой фаз при температуре насыщения ts; 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 (Тс), 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< .