ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Теплообмен при кипении жидкостей из "Теплообменные процессы химической технологии" Процесс кипения, когда давление насыщенного пара вещества равно внешнему давлению, а парообразование происходит по всему объему жидкости, широко используется в энергетике, химической и других отраслях промышленности. В выпарных аппаратах, кубах ректификационных колонн, испарителях холодильных установок процесс теплообмена при кипении растворов, смесей жидкостей и чистых веществ во многом определяет удельные производительности технологических установок. [c.89] Кипение сопровождается образованием большого числа пузырей, их ростом и движением через слой кипящей жидкости. Эти процессы интенсифицируют теплоотвод от греющих поверхностей к объему кипящей жидкости, что в свою очередь приводит к увеличению скорости парообразования. Особенно существенно, что зарождение паровых пузырьков на микровпадинах греющей поверхности и их последующий отрыв от поверхности непрерывно разрушают пристенный слой жидкости изнутри. На место оторвавшегося пузыря к греющей поверхности подходит свежая жидкость из общего объема. Эти локальные, часто повторяющиеся акты обновления жидкости у стенки обеспечивают высокую интенсивность процесса теплоотдачи. [c.89] В малом числе центров парообразования, их перемешивающий эффект для всей поверхности теплообмена оказывается незначительным и интенсивность теплообмена определяется процессом свободной конвекции жидкости около нагретой твердой стенки. По мере увеличения перегрева число центров парообразования становится больше, пузырьки растут быстрее и частота их отрыва от поверхности увеличивается. Это приводит к возрастанию интенсивности перемешивания жидкости у стенки и во всем объеме и к соответствующему повышению коэффициента теплоотдачи (рис. 4.19). При дальнейшем увеличении число паровых пузырьков, одновременно находящихся на стенке становится настолько большим, что они начинают занимать заметную долю всей теплообменной поверхности, а это, ввиду малой теплопроводности пара, приводит к уменьшению темпа роста коэффициента теплоотдачи (область приближения к максимуму на кривой рис. 4.19). [c.90] При некотором значении = А р пузырьки у поверхности перестают отрываться индивидуально и сливаются в сплошную паровую пленку, блокирующую горячую стенку от жидкости. Интенсивность теплоотвода падает настолько резко, что переход от пузырькового режима кипения к пленочному называют кризисом кипения. Значение коэффициента теплоотдачи уменьшается в 20— 40 раз, что может привести к нежелательному перегреву теплообменной поверхности. [c.90] Пленочный режим кипения всегда нежелателен, и в промышленной практике стараются организовать процесс в области развитого пузырькового кипения достаточной интенсивности, но без опасности наступления кризиса. [c.90] Обратный процесс перехода от пленочного режима к пузырьковому по мере уменьшения А/ происходит при заметно меньщей разности температур, чем при прямом переходе. [c.90] В тех случаях, когда основная масса жидкости имеет температуру меньше температуры ее кипения /ц, а греющая поверхность нагрета до более высокой температуры T ta), возможно существование так называемого пристенного кипения, при котором происходит конденсация пара из пузырьков, образовавшихся на перегретой поверхности, оторвавшихся от нее и попавших в массу недо-гретой жидкости. Интенсивность теплообмена в этом случае близка к интенсивности пузырькового кипения, паропроизводительность весьма незначительна, а жидкость сравнительно быстро нагревается до температуры кипения вследствие высоких значений коэффициентов теплоотдачи от стенки. [c.90] Таким образом, механизм пузырькового кипения имеет наиболее существенное значение при анализе процесса теплообмена при кипении. [c.91] Перегрев поверхности, необходимый для существования направленного переноса теплоты, создает условия для зарождения паровой фазы на микронеровностях твердой поверхности, чему способствует наличие в реальных жидкостях некоторого количества растворенного газа (обычно воздуха). [c.91] Паровой пузырек с начальным радиусом, соответствующим кривизне микровпадины (микротрещины), увеличивается вследствие интенсивного испарения перегретой жидкости с наружной поверхности внутрь пузырька. [c.91] Обычно непосредственные измерения показывают наличие перегрева жидкости на несколько градусов на расстоянии 1—2 мм от границы поверхности. [c.91] Число центров парообразования зависит от механической обработки поверхности и количества растворенного газа в жидкости. Учет зависимости числа действующих центров зарождения паровых пузырьков от состояния поверхности, ее перегрева и прочих факторов представляет наиболее трудную задачу количественного описания процесса пузырькового кипения. [c.91] Значительная теплоемкость жидкой фазы по отношению к теплоемкости пара обусловливает передачу теплоты от греющей поверхности жидкой фазе при непосредственном их контакте в пристенном слое, а затем передачу теплоты испарения от наружной границы парового пузыря внутрь его объема. [c.92] По степени влияния общего объема жидкости на интенсивность теплоотдачи различают кипение в большом объеме не перемещаемой принудительно жидкости и кипение в направленном потоке жидкости. Анализ процессов развитого пузырькового кипения даже в более простом случае большого объема чистой жидкости оказывается настолько сложным, что в настоящее время не сформулирована однозначная система уравнений и условий однозначности, адекватно отражающих все многообразие взаимосвязанных факторов, определяющих развитие процесса кипения. Особую сложность представляют условия на подвижной границе жидкая фаза— паровой пузырь. Форма пузырей обычно отличается от сферической. Кроме того, распределение центров парообразования на реальной поверхности носит статистический характер. [c.92] Имеется несколько основанных на различных предпосылках математических описаний, каждое из которых служит лишь для установления вида обобщенных переменных, связь между которыми берется за основу при обработке результатов экспериментальных измерений. [c.92] Одна из наиболее полных систем уравнений, описывающих процесс пузырькового кипения, сформулирована в монографии [5], где помимо, общих уравнений движения и сплошности жидкой и паровой фаз и уравнения нестационарной теплопроводности для жидкой фазы (теплопроводность пара считается пренебрежимо малой) учитываются условия теплового взаимодействия на границе раздела фаз с учетом парообразования и возможного скачка температуры. В математическое описание включаются условия механического взаимодействия жидкости и пара в виде равенства касательных напряжений и скоростей фаз на границе раздела, а также учитывается масштаб сформировавшихся пузырей [уравнение типа (4.88)]. Распределение возможных центров парообразования на поверхности определяется количеством растворенного в жидкости газа, величинами микрошероховатостей (б,) и их формой, процентным распределением различных микрошероховатостей ( ,) по поверхности и т. д. [c.92] Переменные л, и б, VS (P — Рп)/ст характеризуют свойства теплоотдающей поверхности, количественная оценка которых, однако, в настоящее время затруднительна для реальных поверхностей, поэтому при обобщении опытных данных в виде (4.89) эти критерии, как правило, исключаются. [c.93] Для воды и большинства жидкостей пх0,7 и тх0,4, а значения А приводятся в таблицах [27]. [c.94] Кипение внутри труб при вынужденном движении жидкости встречается в процессах химической технологии, например, при выпаривании растворов в выпарных аппаратах, в трубчатых кипятильниках массообменных колонн и т. д. Если в обогреваемую трубу входит жидкость с температурой ниже температуры насыщения, то на начальном участке наблюдается поверхностное кипение. После быстрого нагрева всего потока жидкости до н кипение происходит по всему объему потока, а на последнем участке канала возможен перегрев паров. Интенсивность теплообмена в зонах поверхностного и развитого кипения зависит рт величины скорости жидкости лишь при малых тепловых нагрузках, а с увеличением q скорость вынужденного движения жидкости перестает играть заметную роль и интенсивность теплоотдачи определяется процессами, сопровождающими пузырьковое кипение. Эмпирические корреляции для расчета длин отдельных участков и температур жидкости и стенки трубы приводятся в специальной литературе [27]. [c.94] Вернуться к основной статье