ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Теплообмен при кипении в большом объеме из "Интенсификация теплообмена в испарительных холодильных машинах" Согласно терминологии по теории теплообмена, кипением в большом объеме называется кипение при свободном движении в объеме жидкости, размеры которого по всем направлениям велики по сравнению с отрывным диаметром пузыря. Примером такого процесса является кипение на поверхности одиночной трубы или пластины, погруженных в большой в сравнении с ними объем жидкости. При этом гидродинамика процесса определяется собственно парообразованием, а образующийся пар свободно удаляется от поверхности нагрева. [c.35] Рассмотрим процесс теплообмена между погруженным в жидкость плоским нагревателем при постоянном давлении над жидкостью р и соответствующей ему температуре насыщения t . Подвод теплоты к нагревателю может быть осуществлен либо с помощью циркулирующего в нагревателе теплоносителя, либо с помощью электронагревателя. [c.35] В первом случае при пренебрежимо малом изменении температуры греющей жидкости и малом термическом сопротивлении между ней и стенкой можно считать, что температура поверхности приблизительно [постоянна (4т = onst), т. е. заданы граничные условия I рода. Изменяя температуру теплоносителя, мы будем менять величину температурного напора 0 = — to- Козффит циент теплоотдачи для данной жидкости при определенных давлении и площади поверхности будет зависеть только от 0, а плотность теплового потока — определяться из закона Ньютона q = = а0. [c.35] При электрсобогреве независимо заданной является плотность теплового потока от нагревателя к жидкости (граничные условия П рода), температурный напор 0 будет определяться условиями теплообмена, а коэффициент теплоотдачи— также законом Ньютона. [c.35] Характер зависимости а от 0 при граничных условиях I рода представлен на рис. П-1, а. [c.35] При малых температурных напорах (участок СК) теплота от греющей поверхности передается жидкости путем свободной конвекции. Паровые пузыри на поверхности нагрева и тем более в жидкости отсутствуют. [c.35] При еще более высоких 0 кипение приобретает развитый характер (участок Р), число пузырей на поверхности увеличивается, перегрев всей жидкости обеспечивает их дополнительный рост при всплытии и выход в паровое пространство. Здесь теплоотдача определяется интенсивностью парообразования. [c.36] При 0 = 0кр начинается переход от пузырькового режима к пленочному, называемый кризисом кипения. На переходном участке (ПР) пленочное кипение носит неустойчивый характер часть поверхности покрыта паровой пленкой, другая часть — паровыми пузырями. На участке СТ пленочное кипение приобретает стабильный характер. [c.36] В области неразвитого кипения а слабо зависит от температурного напора а — имеет сравнительно низкие значения. В области развитого кипения степень влияния 0 на а увеличивается (а — и коэффициент теплоотдачи резко возрастает. Когда начинается пленочное кипение, в переходной зоне интенсивность теплоотдачи резко снижается, причем а уменьшается с увеличением 0. В области стабильного пленочного кипения а S onst, а при повышении 0 коэффициент теплоотдачи снова возрастает за счет излучения через паровую фазу. [c.36] В экспериментах с электрообогревом поверхности установлено, что если процесс подвода теплоты осуществлять с повышением д, то переход от свободной конвекции к развитому кипению происходит при д = дв, а если с понижением д, то кипение прекращается при д = да (рис. И-1, б). Это явление можно объяснить тем, что при увеличении д не все центры при данном перегреве сразу становятся активными, так как надо затратить работу образования парового зародыша. При снижении д все центры заполнены паром и генерируют его. Различие между д и да уменьшается с повышением давления и шероховатости поверхности нагревателя, и при этом численное значение да и д(, также уменьшается. [c.37] В области Оа можно считать, что механизм теплоотдачи аналогичен механизму свободной конвекции перегретая в пограничном слое жидкость поднимается вверх, где на границе раздела испаряется в паровое пространство. По боковым стенкам объема холодная жидкость движется вниз к поверхности нагрева. [c.37] Механизм теплообмена в зоне пузырькового кипения, несмотря на громадное число работ, посвященных этому вопросу, изучен недостаточно. Однако ряд представлений можно считать установленными, и они позволяют указать возможные пути интенсификации этого процесса. [c.37] При наличии перегрева жидкости 0 в слое, прилегающем к поверхности теплообмена, в определенных местах последней (центрах парообразования) образуются паровые пузырьки. [c.37] Процесс роста и отрыва паровых пузырей на поверхности нагрева можно представить следующим образом (рис. П-2). При подводе к поверхности определенного количества теплоты ее температура становится выше температуры насыщения, а прилегающий к ней слой жидкости (пограничный слой) оказывается перегретым (положение а). Находящиеся в центрах парообразования паровые зародыши очень быстро (сотые и тысячные доли секунды) увеличиваются в размерах, перемещая при этом перегретый слой жидкости (положение б). Достигнув отрывного диаметра (положение в), пузырь отрывается и всплывает, увлекая с собой некоторое количество перегретой жидкости. При отходе пузыря и теплой жидкости от поверхности нагрева их место занимает подтекающая из объема менее нагретая жидкость (положение г). Последняя в течение некоторого времени прогревается, и процесс повторяется. [c.37] Таким образом, рост и отрыв пузырей вызывают турбулентные пульсации масс жидкости и пара в пограничном слое. Перенос теплоты при пузырьковом кипении, как следует из рассмотренной схемы парообразования, осуществляется паровой и жидкой фазами. [c.37] Из уравнений (П-1) и (П-2) видно, что чем больше число действующих центров парообразования и частота отрыва пузырей, тем большее количество теплоты отводится при кипении. При этом очевидно, что наибольшее влияние оказывает величина г, так как именно она определяет долю поверхности, участвующей в парообразовании. Как показывает опыт, резкое увеличение а с повышением 6 в области развитого кипения действительно связано прежде всего с увеличением г. Таким образом, для того чтобы интенсифицировать процесс теплоотдачи при кипении, необходимо создать условия, обеспечивающие рост числа центров парообразования и объемной скорости парообразования в каждом центре (величина, пропорциональная Пои). Наиболее вероятными местами существования или образования паровых зародышей являются впадины, канавки, царапины на поверхности твердого тела, места соединения разнородных материалов. [c.38] Вторая часть равенства представляет собой работу по созданию поверхностей раздела фаз — твердой, жидкой, газообразной. Чем большая часть поверхности зародыша соприкасается с твердой стенкой (Ftb). тем меньше эта работа. Следовательно, возможность образования зародышей в углублениях на поверхности нагрева более вероятна, чем на гладкой поверхности или на выступах. [c.39] Таким образом, из уравнений (П-4) и (П-5) следует, что чем выше перегрев жидкости, тем меньше и АФ ,ах. т. е. меньше энергии надо затратить для превращения системы из метастабильного состояния в стабильное, т. е. для образования в жидкости паровой фазы. С ростом перегрева жидкости (9) увеличивается число действующих центров парообразования, так как начинают работать центры с меньшим R i . [c.39] Наиболее благоприятны для зарождения и существования центров парообразования впадины конического типа, так как кроме возможности большего перегрева жидкости в них затруднены условия полного заполнения их жидкостью и, следовательно, всегда возможно присутствие в них остаточных (после прекращения кипения) пузырей. При этом большое значение имеют радиус устья и глубина впадины. [c.39] Величина зависит от свойств жидкости, температуры насыщения и 0. В табл. П-1 приведены значения Ят п Д я некоторых хладагентов и воды, рассчитанные по уравнению (П-4). [c.40] Вернуться к основной статье