Теплотехника - Чечеткин А.В.
Скачать (прямая ссылка):
Интенсивность теплоотдачи при пленочном режиме на порядок ниже, чем при пузырьковом. Это объясняется большим термическим сопротивлением парового слоя на поверхности теплообмена вследствие низкой теплопроводности пара.
На рис. 2.56 показана зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды от плотности теплового потока. Верхняя возрастающая ветвь О А соответствует пузырьковому кипению, нижняя ветвь БД — режиму пленочного кипения. В точке А коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении плотности теплового потока пузырьковый режим переходит в пленочный и коэффициент теплоотдачи резко падает до значений в области точки Г. На участке АБ режим кипения называют переходным, в этом случае могут сосуществовать пузырьковый и пленочный режимы кипения. Однако при фиксированном тепловом потоке переходный режим неустойчив и стационарно существовать не может.
Возврат от пленочного кипения к пузырьковому происходит при значительно меньших тепловых потоках (точка Б).
Таким образом, опыт показал существование определенного гистерезиса при переходе от пленочного кипения к пузырьковому.
Изменение температурного напора Дг = гс. — г„ в условиях фиксированного теплового потока (например, электрообогрев или излучение) показано на рис. 2.57 для кипения воды в большом объеме при нор-
196
СЫоднаи /поверхность Поды
Пар
О 12 3*5618 Расстояние от пойерхности нигреба, см
Рис. 2.55. Распределение температуры в кипящей воде при атмосферном давлении
<х-10~3, Вт/(м-2к)
30 24
18
12
О
А
о /с.
I..
о/»м I \
[ Б<
4,
2 4 ? в 10 12 у-Ю^Вт/м'
Рис. 2.56. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды в большом объеме от плотности теплового потока
мальном давлении. Нагрев воды до начала кипения протекает при естественной конвекции (рис. 2.57, а). При Аг > 5 °С число действующих центров парообразования становится достаточным для начала развитого пузырькового кипения (рис. 2.57, б). Переход (рис. 2.57, в) пузырькового режима в пленочный (рис. 2.57, г) наступает при Аг = 25 °С (точка А). Стрелкой показано направление кризисного перехода («перескока») от пузырькового кипения к пленочному при постоянном ц (АГ). В практическом отношении перерождение пузырькового кипения в пленочное крайне нежелательно. При пленочном кипении температурный напор Дг = гс — г„ резко возрастает и в соответствии с с[ — аД? коэффициент теплоотдачи падает. Температурный напор при пленочном кипении может достичь значений порядка сотен градусов. Температура поверхности может возрасти настолько, что наступает пережог металлической стенки и ее разрушение.
При снижении д за пределы точки Б происходит переход («перескок») пленочного режима в пузырьковый. Эти «перескоки» можно избежать и сделать переходный режим устойчивым, если задавать не тепловую нагрузку, а тепловой напор Аг = гс — гн. Тогда любую точку переходного режима можно реализовать при обогреве поверхности, например, конденсирующимся паром. Тепловой поток при этом будет уменьшаться по мере ухудшения условий теплообмена (участок АБ графика).
Изменение механизма теплоотдачи при переходе от пузырькового кипения к пленочному или от пленочного к пузырьковому называют кризисами кипения, а параметры, им соответствующие, — критическими. Максимальная плотность теплового потока в точке А называется первой критической плотностью теплового потока дкр1, а минимальная плотность теплового потока при пленочном режиме кипения, соответствую-
197
щая его переходу к пузырьковому кипению, — второй критической плотностью теплового потока цкр2 ~ 2 ¦ Ю5 Вт/м2 (рис. 2.56, 2.57).
Такой же характер механизм кипения имеет и для других жидкостей, кипящих в большом объеме на металлических поверхностях нагрева. Значения критических параметров зависят от физической природы кипящей жидкости. Например, для воды дкр1 = 8,5 • 105 Вт/м2, для этилового спирта <7кР 1 = 0,6 • 106 Вт/м2, для бензола </нр | = 0,44-106 Вт/м2, для н-гептана с/кр1 = 0,356 • 10й Вт/м2.
Теплообмен в режиме пузырькового кипения отличается наивысшей интенсивностью и находит широкое практическое использование.
Как видно из изложенного, процесс кипения жидкости на поверхности теплообмена отличается большой сложностью. Гидродинамические условия процесса определяются характеристиками возникновения роста и отрыва пузырьков пара. К таким характеристикам относят минимальный или критический радиус возникающего на поверхности нагрева парового пузырька отрывной диаметр пузырька /_)0 и среднюю скорость роста парового пузырька на поверхности нагрева — П0/(м/с). Величина /(1 /с) соответствует частоте отрыва паровых пузырьков и определяется как
/=1/(тр + т0), (2.295)
где Тр — время роста пузырька на поверхности жидкости; т0 — время омывания поверхности жидкостью между отрывом одного пузырька и зарождением нового.
Установлено, что пар внутри пузырька испытывает не только давление жидкости, но и сжимающее действие поверхностного натяжения. Для сферической поверхности раздела фаз давление внутри парового пузырька определяется известным уравнением Лапласа
