Теплообмен при кипении жидкости.

Кипением называется парообразование, характеризующееся возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.

Характерной особенностью процесса кипения является образование пузырьков пара. Различают кипение жидкости поверхностное и объемное.

Поверхностное кипение возникает тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объемное кипение может происходить при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Пузыри пара возникают во всем объеме.

Наиболее распространено поверхностное кипение.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках этой поверхности, называемых центрами парообразования, которымиявляются неровности самой стенки, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если жидкость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара легко отрывается. Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, и отрывается только часть пузырька, а ножка остается на поверхности.

Рост пузырьков до отрыва от обогреваемой поверхности и движение ихпосле отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пузырьковым кипением.

С возрастанием температурного напора или с увеличением плотности теплового потока число центров парообразования непрерывно увеличивается и, наконец, их становится так много, что отдельные пузырьки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, и образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пленочным. Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара представляет большое термическое сопротивление. Теплоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом снижается и если количество передаваемой теплоты q остается неизменным, то, как следует из уравнения q =a(t_с – t_ж),при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение температуры стенки t_c. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. На рисунке показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и зависимость плотности теплового потока от Dt. При малых температурных напорах значение коэффициента теплоотдачи определяется условиями свободной Теплообмен при кипении жидкости. - student2.ru конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении Dt коэффициент теплоотдачи быстро возрастает и происходит интенсивное пузырьковое кипение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипение переходит в пленочное и при дальнейшем повышении Dt коэффициент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интенсивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и образуют сплошную паровую пленку, которая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное. Величины Dt,aи q,соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочный, называются критическими.