Кипение - процесс парообразования, сопровождающийся бурным выделением пузырьков пара; это один из наиболее сложных процессов, обеспечивающих наибольшую интенсивность теплообмена. Особенности процесса рассмотрим сначала на примере кипения в большом объеме, хотя такое кипение не очень часто встречается в технике.

Если рассматривать отдельный пузырек пара внутри кипящей жидкости, можно отметить, что со стороны жидкости на пар действует не только сила давления р н, но и дополнительная сила, создаваемая поверхностным натяжением жидкости

где R - радиус пузырька; с - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Таким образом, существование и рост пузырька возможны только тогда, когда жидкость имеет температуру, несколько большую, чем температура насыщения, т.е. перегрета настолько, чтобы уравновесить величину Ар =а/2 R. В таком случае при испарении объем пузырька будет расти, а давление в нем - постепенно приближаться к р н.

Экспериментальные исследования полностью подтверждают эти рассуждения. На рис. 2.61 показаны образование, отрыв и всплытие пузырьков пара и изменение температуры внутри кипящей жидкости. Из рисунка видно, что заметный перегрев имеет место только в пристенном слое жидкости, где сильно проявляется влияние ее теплопроводности и где находится зона возникновения пузырьков. В основном же объеме жидкости в результате активного перемешивания температура жидкости практически одинакова и степень перегрева незначительна.

Наибольший перегрев возникает в зоне непосредственного контакта жидкости с горячей стенкой: At - t c - / н; здесь At - q/a, и величина этого перегрева зависит от передаваемого теплового потока q.

При небольших q или в начале кипения, когда перегрев жидкости еще небольшой, возникающие пузырьки пара очень малы и силы поверхностного натяжения не позволяют им расти, поскольку перегрев жидкости недостаточен. В результате возникает так называемое пристенное кипение, когда образующиеся пузырьки пара здесь же конденсируются и до поверхности практически не доходят.

В тех местах поверхности, где имеются микротрещины, микронеровности, царапины или пузырьки выделившегося растворенно-

Р и с. 2.61. Кипение в большом объеме и зависимость t =J{h)

го воздуха, перегрев жидкости будет большим и возникнут регулярные центры парообразования. С увеличением тепловой нагрузки q число таких центров и перегрев жидкости растут и начинается обычное кипение. Форма пузырька зависит от того, смачивает или не смачивает (это бывает реже) жидкость поверхность теплоотдачи (рис. 2.62). С течением времени объем пузырька растет, и когда подъемные силы станут больше сил сцепления, произойдут отрыв и всплытие пузырька. На его месте образуется, растет и вновь отрывается новый пузырек.

Образование, рост и отрыв пузырьков приводят к значительной турбулизации слоя жидкости, непосредственно соприкасающегося со стенкой. Именно этим объясняется очень высокая интенсивность теплоотдачи при кипении. Ведь во всех остальных случаях возле стенки всегда находится неподвижный слой жидких комков, а здесь и этот слой находится в движении.

С увеличением q увеличиваются перегрев жидкости и число центров парообразования, возрастают интенсивность кипения и величина а. При некоторой критической нагрузке q Kp число центров парообразования возрастает настолько, что пузырьки пара как бы отгораживают жидкость от стенки. Образуется нестабильная пленка пара, через которую теплота передается в основном теплопроводностью. При этом величина а резко уменьшается, так как пар имеет малую теплопроводность. Такое кипение называют пленочным, а переход к нему - кризисом кипения. На рис. 2.63 приведена так называемая кривая кипения, показывающая, как изменяется величина ос при изменении q. Из рисунка видно, что переход к пленочному кипению, происходящий при нагрузке q KpX , сопровождается резким уменьшением а. Обратный же переход от пленочного кипения к пузырьковому происходит при другой, гораздо меньшей нагрузке q Kp2 .

Кризис кипения - явление нежелательное и очень опасное, так как приводит к перегреву материала стенки и уменьшению ее механической прочности. Действительно, записав известную формулу

Рис. 2.62.

видим, что при практически неизменной величине q резкое уменьшение а возможно лишь при таком же увеличении разницы t c - t H , т. е. при увеличении t c . С увеличением t c прочность стенки уменьшается, и она может не выдержать действующих на нее механических напряжений. Кризис кипения явился причиной многих трагических аварий в теплоэнергетике, включая и Чернобыльскую катастрофу. Поэтому при проектировании парогенерирующего оборудования назначают рабочую тепловую нагрузку q так, чтобы она не превышала величины q Kp2 . Это возможно, если перегрев жидкости невелик и температура ее не превышает температуры предельного перегрева / пп, поскольку полный контакт жидкости со стенкой возможен только при t c / пп. Величина / пп для разных жидкостей определена экспериментально и приведена в справочниках . Известны и критериальные уравнения, позволяющие рассчитать величину q Kp2 .

Рис. 2.63.

Величину коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды обычно рассчитывают по эмпирической формуле

где р н - давление насыщения, МПа; q - плотность теплового потока при кипении, Вт/м 2 .

Для расчета кипения других жидкостей предложены следующие критериальные уравнения:

Здесь - коэффициент поверхностного натяжения конденсата; р" и р" - плотности жидкости соответственно на линии насыщения и сухого насыщенного пара. Все остальные физические константы определяют для жидкости по температуре / н.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится тепло, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности (по Х. Кухлингу коэффициент теплоотдачи á – кипящая вода – металлическая стенка находится в пределах от 3500 до 5800 Вт/(м 2 ⋅К).

При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении. Например, значительный перегрев может быть получен при быстром сбросе давления в системе.

От механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается наличием дополнительного переноса массы вещества и тепла паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий:

Наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения;

Наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена, так как на ней находятся центры парообразования в виде отдельных неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и пр.

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называют пузырьковым кипением.

С увеличением теплового потока до некоторой величины отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у стенки сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Такой реж им называют пленочным кипением.

Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкости в условиях свободного движения

Коэффициент теплоотдачи по Д.А. Лабунцову:

α кип св. дв. = С ⋅ λ ⋅ Re n ⋅ Pr 1/3 /l , Вт/м 2 ⋅К,

где: l – характерный линейный размер пузырька пара в момент зарождения, в м.

Физические параметры, входящие в критерии подобия, определены при температуре насыщения.

Значения постоянных при кипении воды составляют:

при Re ≤ 0,01, C = 0,0625, n = 0,5;

при Re > 0,01, C = 0,125, n = 0,65.

Зависимость справедлива в области значений величин:

Re = 10 -5 ÷ 10 +4 ; Pr = 0,86 ÷ 7,6; W ≤ 7 м/с;

и при объемном паросодержании – â ≤ 70% для широкого диапазона давлений насыщения (до околокритических давлений).

Коэффициент теплоотдачи по М.А. Михееву:

α кип св. дв. = 33,4∆t 2,33 ⋅ Р 0,5 , Вт/м 2 ⋅К,

где Р – давление воды в барах.

Зависимость применима для воды в диапазоне давлений 1 ÷ 40 бар (0,1-4,0 МПа).

Теплоотдача при пузырьковом кипении в условиях вынужденной конвекции в трубах

В этом случае интенсивность теплообмена определяется взаимодействием пульсационного движения жидкости, вследствие парообразования и возмущений, проникающих из объема жидкости, обусловленных вынужденной конвекцией. Интерполяционная формула Д.А. Лабунцова для теплоотдачи из пузырьковом кипении в условиях вынужденной конвекции в трубах имеет вид:

α/α w = 4α w /4α w + α q /α q , где:

α g – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам развитого кипения (когда скорость не влияет на теплообмен);

α w – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам конвективного теплообмена однофазной жидкости (когда q не влияет на теплообмен).

Зависимость применима:

В интервале значений α q /α w от 0,5 до 2,0, (при величине этого отношения, меньшей 0,5 - α w = α, а при большей 2,0 - α q = α);

При средних объемных паросодержаниях, не превышающих 70% (при этом коэффициент теплоотдачи относится к разности температур t c – t н).

Теплоотдача при пленочном кипении жидкости

Пленочное кипение возникает при наличии большого количества центров парообразования, при котором паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной слой пара, периодически прорывающийся в объем жидкости. В этом случае жидкость отделена от обогреваемой поверхности паровым слоем. Тепловой поток к поверхности раздела фаз проходит через малотеплопроводный слой пара. При пленочном кипении жидкости в условиях свободного движения величина коэффициента теплоотдачи мало изменяется с изменением величины теплового потока.

Через паровую пленку, кроме тепла за счет конвекции и теплопроводности, проходит и лучистое тепло. Поэтому на коэффициент теплоотдачи на пленочном кипении оказывают влияние излучение поверхности теплообмена, излучение поверхности жидкости и излучение паров. Доля лучистого переноса тепла резко увеличивается по мере увеличения перегрева жидкости. Обе формы переноса тепла – конвективным теплообменом и излучением – оказывают взаимное влияние друг на друга. Оно проявляется в том, что пар, образующийся благодаря излучению, приводит к утолщению паровой пленки и соответствующему уменьшению интенсивности переноса тепла за счет конвекции и теплопроводности.

При пленочном кипении насыщенной жидкости тепловой поток, отводимый от поверхности нагрева, расходуется не только на испарение слоев жидкости, расположенных на границе паровой пленки. Часть отводимого тепла идет также на перегрев пара в пленке, так как средняя температура пара внутри пленки выше температуры насыщения.

При пленочном кипении недогретой жидкости тепло, которое проходит через паровую пленку с поверхности кипения, частично передается в объем жидкости путем конвекции. Интенсивность конвективного переноса тепла в объем жидкости зависит от недогрева и скорости циркуляции жидкости.

В котлах прямоточного типа технологическая вода поступает в недогретом состоянии, а выходит в виде перегретого пара. В таком котле по мере течения пароводяной смеси коэффициент теплоотдачи изменяется: по законам конвекции однофазового потока на входном участке; по законам конвекции и кипения пузырькового режима на промежуточном участке; по законам кипения пленочного режима на выходном участке. При пленочном кипении теплоотдача значительно меньше, чем при пузырьковом. Однако при высоких давлениях абсолютная величина теплоотдачи становится значительной. Поэтому пережога кипятильных труб (прогара поверхности) не происходит, т.е. состояние поверхности нагрева и в этом случае остается управляемым.

Коэффициент теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки на вертикальной стенке по В.П. Исаченко:

α = С 4 √(λ 3 n ⋅ r ⋅ ρ n (ρ ж − ρ n ) ⋅ g /(µ n ⋅ ∆t ⋅ H)) , Вт/(м 2 ⋅К),

при t = t н (температура насыщения воды) и скорости на границе раздела фаз – W гр = 0, постоянный множитель С = 0,667;

при градиенте скорости dw = 0, постоянный множитель С = 0,943.

В первом случае жидкость неподвижна, во втором случае – скорость движения жидкости равна скорости движения пара на границе раздела фаз.

Коэффициент теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки при кипении на наружной поверхности горизонтального цилиндра по В.П. Исаченко:

α = С 4 √(λ 3 n ⋅ r ⋅ ρ n (ρ ж − ρ n ) ⋅ g /(µ n ⋅ ∆t ⋅ d)) , Вт/(м 2 ⋅К),

В этом случае С равно соответственно 0,53 (жидкость неподвижна) и 0,72 (скорость движения жидкости равна скорости движения пара на границе раздела фаз).

Приведенные зависимости теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки учитывают перенос тепла по сечению пленки путем теплопроводности. Лучистая (радиационная) составляющая коэффициента теплоотдачи (α р) должна определяться отдельно (см. раздел 7.3.4.)

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении паровой пленки при кипении на вертикальной стенке по Д.А. Лабунцову:

α = С ⋅ (λ/H)(Gr ⋅ Pr) г 1 /3 Вт/(м 2 ⋅К),

где: применительно к пленочному кипению сила, определяющая движение пара в пленке, равна g*(ρ ж − ρ n ); постоянный множитель С = 0,25; физические свойства относятся к средней температуре паровой пленки (на что указывает индекс «Г»).

Критерий Грасгофа имеет вид Gr = (gl 3 /ν n 2)*(ρ ж − ρ n )/ρ ж

Зависимость применима при (Gr ⋅ Pr) г ≥ 2 ⋅ 10 7 .

При кипении жидкостей тепло от горячей стенки передается пристенному слою. Пузырьки пара, образование которых проходит в конкретных точках поверхности кипения (центрах парообразования), в процессе роста и отрыва, оттесняют частицы перегретого слоя в ядро кипящей жидкости. За счёт этого тепла и идет нагрев жидкости (если она еще недогрета до температуры кипения) и рост паровых пузырьков, оторвавшихся от поверхности нагрева. Величина перегрева пристенного слоя жидкости зависит от тепловой нагрузки, свойств кипящей жидкости и состояния поверхности нагрева и определяется условиями существования паровых пузырьков.

Для того чтобы паровой пузырек не был раздавлен жидкостью, давление внутри пузырька должно быть выше давления над зеркалом жидкости на величину гидростатического давления на глубинœе погружения пузырька плюс давление, создаваемое силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар.
Размещено на реф.рф
Последняя величина обратно пропорциональна диаметру пузырька. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, отрывной диаметр парового пузырька определяется давлением пара внутри него, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ будет равно давлению насыщенных паров окружающих слоев жидкости. С другой стороны, отрывной диаметр парового пузырька определяется размером центра парообразования, который представляет собой царапины, поры или впадины на твердой поверхности. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, чем крупнее центр парообразования, тем меньшие перегревы пристенного слоя требуются для отрыва паровых пузырьков. При увеличении температуры поверхности нагрева начинают действовать центры парообразования с меньшими размерами, увеличивается число действующих центров парообразования, возрастает число отрывающихся пузырьков, растет турбулизация жидкости, увеличивается интенсивность теплообмена.

На рисунке 2.8 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи от разности температур стенки и насыщенных паров, которую называют кривой кипения . При температурных напорах до 1¼2 °С тепло передается преимущественно теплопроводностью (зона 1). При увеличении напора до 3¼4 °С существенную роль играет свободная конвекция (зона 2), а при более высоких перегревах до 7¼9 °С начинают действовать отдельные, наиболее крупные центры парообразования. Здесь количество тепла, передаваемое естественной конвекцией, и тепло, передаваемое по механизму теплоотдачи при кипении, соизмеримы. Паровые пузырьки всплывают в жидкости, не касаясь друг друга. Это режим неразвитого пузырчатого кипения (зона 3). Здесь коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 0,2 ¼ 0,3 . При дальнейшем увеличении температуры стенки возрастает число действующих центров парообразования, жидкость интенсивно перемешивается, наблюдается развитое пузырчатое кипение (зона 4). В начале зоны слияние пузырьков наблюдается только в верхних слоях жидкости. В зоне развитого кипения коэффициент теплоотдачи пропорционален Ñt 1,5 ¼ 2,2 . По мере увеличения температуры, область слияния пузырьков опускается к поверхности нагрева, а в точке К, называемой критической , происходит кризис кипения . Действующих центров парообразования появляется так много, что паровые пузырьки сливаются друг с другом уже в момент отрыва и образуют нестабильную паровую пленку. Наступает пленочный режим кипения (зона 6). Теплопроводность паровой пленки значительно ниже, чем теплопроводность жидкости, в связи с этим коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении резко снижается и в дальнейшем практически не меняется. Между режимами развитого пузырчатого и пленочного кипения находится довольно узкая переходная зона (зона 5). При очень больших температурных напорах существенным оказывается влияние лучистого теплообмена и коэффициент теплоотдачи вновь начинает расти (зона 7).

Для определœения коэффициента теплоотдачи при кипении предложено большое число зависимостей, которые плохо согласуются друг с другом. Авторы учебника рекомендуют формулы:

a=А×j×q 0,7 р 0,171 и a=(Аj) 3,33 Ñt 2,33 р 0,57 , (2.42)

где А – постоянный сомножитель (при кипении в большом объёме А=3,02, при кипении в трубах А=3,15); q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м 2 ; Ñt – температурный напор, °С; р – давление, бар; j – относительный коэффициент теплоотдачи:

для воды j=1,

для индивидуальных веществ j=(р кр /221,2) 0,52 ,

для индивидуальных веществ и смесей j=(0,018r/М) 0,47 (m в /m) 0,06 ,

для растворов солей j=18(n в /n) 0,23 (р/р s) 0,06 ,

где р кр – критическое давление веществ, бар; r – плотность вещества, кг/м 3 ; М – молекулярная масса вещества; m в и m – динамическая вязкость воды и вещества, Па×с; n в и m – кинœематическая вязкость воды и вещества, м 2 /с; р s – давление насыщенных водяных паров при температуре кипения раствора.

Для определœения критического удельного теплового потока (Вт/м 2) рекомендуется формула

q к =0,15r(r¢¢) 0,5 0,25 . (2.43)

При кипении пленок, стекающих по поверхности нагрева, возможны два режима течения пленки. При ламинарном течении (при q<4000 Вт/м 2) пленки кипение не происходит, а идет испарение жидкости с её поверхности и коэффициент теплоотдачи определяется толщиной d, скоростью w и физическими свойствами пленки жидкости

При турбулентном потоке пленки в ней наблюдается пузырьковое кипение жидкости и коэффициент теплоотдачи вычисляется по формуле

a=16,35(l/d)(dw/n) 0,26 0,69 при q=4000¼15000 Вт/м 2 ;

и a=2,6(l/d)(dw/n) 0,2 0,32 при q>15000 Вт/м 2 . (2.45)

При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи, используют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между температурным напором "стенка - жидкость" и тепловым потоком через поверхность теплообмена:

где Q - тепловой поток, Вт; q=Q/F - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2; F - поверхность теплообмена (стенки), м2; - средний по поверхности F коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2К); - температура поверхности теплообмена (стенки), 0С; - температура насыщения жидкости при заданном давлении, 0С.

При этом в качестве температурного напора выступает перегрев стенки:

где T f, max - максимальный перегрев жидкости, 0С.

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверхности теплообмена и температурному напору между стенкой и жидкостью.

Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2К), - это коэффициент пропорциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи. Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от большого числа различных факторов:

а) физических свойств жидкости;

б) чистоты жидкости;

в) ее температуры и давления;

г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообмена;

д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности;

е) величины перегрева жидкости и т.п.

Поэтому определение коэффициента теплоотдачи при кипении - весьма трудная задача. Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по поверхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при температурном напоре в 10C (1 К).

Режимы кипения (теплоотдачи)

Механизм кипения и интенсивность теплоотдачи зависят от величины перегрева стенки. Выделяют три основных режима кипения: пузырьковый, переходный и пленочный.

На практике наиболее часто встречается кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, через которую подводится тепловая энергия.

Процесс кипения является частным случаем конвективного теплообмена, в котором происходит дополнительный перенос массы вещества и теплоты паровыми пузырями от поверхности нагрева в объем жидкости.

Пузырьковый режим

Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначительном перегреве жидкости, "работают" лишь крупные центры парообразования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют радиус меньше критического.

С увеличением перегрева жидкости активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.

В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро увеличивается (рис. 3, область 2). Коэффициент теплоотдачи достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/ (м2К) (при высоких давлениях).

Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара. Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур. Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву 8 ? жидкости и давлению. силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле вида:

где C1, z, n - эмпирические постоянные; ?Tw - перегрев стенки, 0С; . - давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар.

Формулу используют в расчетах пузырькового кипения при граничных условиях первого рода.

Рис. 3. Кривые теплоотдачи при кипении: 1 - конвективная область без кипения; 2 - область пузырькового кипения; 3 - переходная область; 4 - область пленочного кипения; 5 - участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 - соответственно точки первого и второго кризисов кипения.

Первый кризис кипения. Переходный режим

При дальнейшем увеличении перегрева (?Tw) интенсивность теплоотдачи, достигнув максимума в критической точке "кр1", начинает снижаться (см. рис.3 область 3) из-за слияния всевозрастающего количества пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения?Tw и охватывает в итоге всю стенку, превращаясь в сплошную паровую пленку, плохо проводящую теплоту.

Таким образом, происходит постепенный переход от пузырькового режима кипения к пленочному, сопровождающийся снижением интенсивности теплоотдачи. Начало такого перехода называют первым кризисом кипения . Под кризисом понимают коренное изменение механизма кипения и теплоотдачи.

Второй кризис кипения. Пленочный режим

При дальнейшем увеличении перегрева (?Tw) интенсивность теплоотдачи, достигнув минимума во второй критической точке "кр2", снова начинает возрастать в области пленочного режима кипения (см. рис.3, области 4 и 5). Такую перемену характера влияния перегрева на теплоотдачу называют вторым кризисом кипения .

В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет жидкость от поверхности и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент теплоотдачи перестает снижаться, оставаясь практически постоянным. Тепловой же поток, согласно закону Ньютона (3), снова начнет увеличиваться из-за возрастания температурного напора?Tw. Интенсивность теплоотдачи в пленочном режиме кипения весьма низка, и это приводит к сильному перегреву поверхности теплообмена.

Кипение в большом объёме

Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:

где - тепловой поток;

Температура стенки;

средняя температура жидкости.

Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения (рисунок 4).

Рис. 4.

Можно выделить пять характерных областей:

1. До точки. Область конвекции;

2. Между точками и. Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;

3. Между точками и. Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;

4. Между точками и. Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется "сливанием" отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;

5. От точки. Область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.

Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая температуру греющей стенки. В этом случае, по мере увеличения последовательно сменяются пять областей кипения.

В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга режимы конвекция не кипящей жидкости (до т.), поверхностного кипения (между точками и) и развитого пузырькового кипения (между точками и). При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой пленкой (от точки до точки), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки). Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток, при котором начинается резкий рост температур (-) - первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто - критическим тепловым потоком.

Если после достижения точки тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки. В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки до точки), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток, при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (-), называется вторым критическим тепловым потоком.

Библиографическое описание:

Нестеров А.К. Теплообмен при конденсации и кипении [Электронный ресурс] // Образовательная энциклопедия сайт

Хотя человек давно знаком с физическими процессами, в ходе которых происходят фазовые переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое, они остаются предметом внимания ученых исследований, поскольку являются достаточно сложными и требуют научно-обоснованного подхода к изучению. Рассмотрим некоторые общие закономерности теплообмена при процессах конденсации и кипения веществ.

Конденсация и кипение

Процессы конденсации и кипения являются взаимно обратными процессами, отражая фазовый переход вещества из газообразного состояния в жидкость и наоборот.

Основными теоретико-методологическими вопросами, которые решаются в рамках данной области, являются возможности прогнозировать их протекание в прикладных целях.

Основными прикладными направлениями, для которых важны знания о процессах конденсации и кипения, являются решение исследовательских и практических задач в сфере естествознания, применение в метрологии, проектирование производственных комплексов и оборудования в химической, металлургической промышленности, а также других отраслях национальной экономической системы.

Молекулярно-кинетическая теория опирается на определенные представления о строении вещества и оперирует моделями вещества, с помощью которых устанавливаются законы поведения макроскопических систем, состоящих из бесконечно большого числа отдельных частиц. "Молекулярно-кинетическая теория – это учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ" . Следует отметить, что молекулярно-кинетическая теория описывает поведение различных систем на основе вероятностных моделей, чтобы установить взаимозависимость между макроскопическими величинами и микроскопическими характеристиками частиц. К макроскопическим величинам относятся, например, температура, объем, давление и др., а к микроскопическим характеристикам частиц – энергия, масса, импульс и др.

Следует отметить, что в рамках данной области естествознания, термодинамика не оперирует молекулярной структурой вещества и является наукой феноменологической. Термодинамика формирует выводы о свойствах вещества на основе сформированных опытным путем законов и оперирует только макроскопическими величинами, которые вводятся на основе физического эксперимента.

Таким образом, термодинамический и статистический подходы взаимно дополняют друг друга, поскольку только комплексное использование в научных изысканиях термодинамики и молекулярно-кинетической теории позволяет сформировать наиболее полное представление о свойствах систем, состоящих из бесконечно большого числа отдельных частиц.

В зависимости от условий и их изменения любой вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное. Процесс перехода из одного состояния в другое является фазовым переходом. Реальные газы, например, азот, водород, кислород и др., могут превратиться в жидкость при соблюдении определенных условий. Превращение газа в жидкость может наблюдаться только при температурах, которые ниже критической температуры (Т кр). "Например, для воды критическая температура – 647,3 К, азота – 126 К, кислорода – 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов" .

Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное называется испарением. При этом процессе с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т.е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Фазовый переход, при котором молекулы пара возвращаются в жидкое состояние, называется конденсацией и является обратным процессу испарения.

"Процесс кипения жидкости происходит при температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению" . Поскольку в жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа, испарение может происходить в объеме жидкости в случае, если давление насыщенного пара жидкости равно давлению газа в пузырьках или больше него. Вследствие этого жидкость будет испаряться внутрь пузырьков, что приведет к расширению пузырьков газа, которые будут всплывать на поверхность.

Теплообмен при конденсация паров газа

Жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, которое означает, что в закрытом сосуде число вылетающих с поверхности жидкости молекул, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости, равно числу молекул пара, которые возвращаются в жидкое состояние. Динамическое равновесие означает, что скорость процессов испарения и конденсации примерно одинаковы. Пары газа, которые находятся в равновесии с жидкостью, называются насыщенным газом.

Число молекул, которые превращаются в жидкость, зависит от концентрации молекул пара газа и скорости их теплового движения, зависящей от температуры паров газа. Следовательно, в состоянии динамического равновесия температура вещества в жидком и газообразном состоянии является равновесной. "Давление насыщенного пара вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема" . Этим объясняется, что в двухфазной системе изотермы реальных газов содержат горизонтальные участки, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Изотермы реального газа

На рисунке цифрами отмечено:

I – жидкое состояние вещества; II – двухфазная система "жидкость + насыщенный пар"; III – газообразное состояние вещества.

При увеличении температуры (Т) возрастает давление и плотность насыщенного пара вещества, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При условии Т = Т кр плотности пара и жидкости вещества становятся одинаковыми. При условии Т > Т кр физические отличия жидкого и газообразного состояния вещества нивелируются. Если при условии Т < Т кр изотермически сжимать ненасыщенный пар, то давление пара будет увеличиваться до тех пор, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Дальнейшее уменьшение объема приведет к тому, что на дне сосуда образуется жидкость и установится динамическое равновесие, при уменьшении объема все большая часть паров газа будет конденсироваться, при этом давление меняться не будет, когда все пары газа возвратятся в жидкое состояние, давление резко увеличивается при дальнейшем сокращении объема по причине малой сжимаемости жидкости. При этом процесс преобразования вещества из паров газа в жидкость может произойти миновав двухфазную область, как показывает линия ABC.

Давление насыщенного пара с ростом температуры увеличивается очень быстро и при постоянной концентрации молекул возрастает прямо пропорционально росту температуры газа. При этом рост температуры обуславливает не только увеличение средней кинетической энергии молекул, но и их концентрации, поэтому давление насыщенного пара увеличивается быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул вещества.

С точки зрения естественнонаучного содержания,

Процесс теплоотдачи при конденсации насыщенного пара является одновременным переносом теплоты и массы.

Перенос теплоты определяется теплотой парообразования, масса – количеством сконденсированного пара. При процессе конденсации молекулы пара находятся в состоянии турбулентного потока, вихри которого переносят молекулы вещества в газообразном состоянии к охлаждаемой стенке сосуда, на которой они конденсируются. Следствием является резкое уменьшение объема пара, в результате создается собственное поступательное движение молекул вещества в газообразном состоянии к стенке сосуда. Образовавшийся на стенке сосуда конденсат стекает по ней, а к стенке подходит собственный пар. При этом в научно-прикладном аспекте процесс переноса теплоты и основной массы вещества в газообразном состоянии к стенке сосуда происходит настолько быстро, что степень турбулентности потока молекул вещества в газообразном состоянии не оказывается сколько-нибудь значимого влияния на сам процесс конденсации.

Процесс конденсации неразрывно связан с теплообменом, так как при конденсации паров газа выделяется теплота фазового перехода, поэтому справедливы два условия: "температура стенки сосуда должна быть ниже температуры насыщения при данном давлении и необходим отвод теплоты от поверхности, на которой образуется конденсат" . При пленочной конденсации конденсат стекает с поверхности теплообмена в виде простой пленки, для этого должно соблюдаться условие смачивания жидкостью данной поверхности. В случае, если поверхность теплообмена не смачивается или, например, находится в загрязненном состоянии, то будет иметь место конденсация капельного типа, когда конденсат будет формироваться в виде капель разного размера. Наконец, смешанная конденсация подразумевает, что на различных участках поверхности теплообмена может проходить процесс конденсации пленочного и капельного типа одновременно.

Следует отметить, что для разных типов процесса конденсации интенсивность теплообмена отличается следующим образом:

• интенсивность теплообмена при конденсации пленочного типа будет ниже, чем при конденсации капельного типа;
• интенсивность теплообмена при конденсации смешанного типа будет зависеть от характера и соотношения типов конденсации, находясь в пределах минимального и максимального значений для соответствующих типов конденсации .

В этой связи в практике проектирования и применения теплообменных устройств превалирует пленочная конденсация из-за того, что интенсивность процесса теплоотдачи при конденсации пленочного типа ниже капельного из-за термического сопротивления пленки конденсата, тогда как организация процесса капительной конденсации в устройствах теплообмена дороже организации процесса пленочной конденсации.

Рисунок 2 – Термическое сопротивление пленки определяется механизмом переноса теплоты, зависящим от режима течения конденсата

В процессе конденсации процесс теплообмена при пленочной конденсации не является лимитирующем, при конденсации пленочного типа вещества в газообразном состоянии термическое сопротивление сосредоточено в пленке конденсата.

Теплообмен при кипении жидкости

В закрытом сосуде процесс кипения жидкости происходить не может, так как при каждом значении температуры устанавливается равновесие вещества в жидком и газообразном состоянии, при этом пары газа вещества являются насыщенным паром. По кривой равновесия давления и температуры р0 (Т) можно определять температуру кипения жидкости при разных давлениях. При этом необходимо отметить, что из газообразного и жидкого состояния любое вещество может перейти в твердое состояние. Термодинамическое равновесие между двумя фазами вещества может сохраняться при заданной температуре и давлении в системе.

Зависимость равновесного давления от температуры представляет собой кривую фазового равновесия. На рисунке 3 изображена фазовая диаграмма вещества, кривые равновесия разделяют систему координат на отдельные области, соответствующие твердому, жидкому и газообразному состоянию вещества.

Рисунок 3 – Фазовая диаграмма вещества

На рисунке цифрами обозначено:

I – твердое состояние вещества, II – жидкое состояние вещества, III – газообразное состояние вещества.

Кривая 0Т соответствует равновесию между твердым и газообразным состоянием вещества и называется кривой сублимации. Кривая ТК соответствует равновесию между жидким и газообразным состоянием вещества, обрываясь в критической точке К, и называется кривой испарения. Кривая ТМ соответствует равновесию между твердым и жидким состоянием вещества и называется кривой плавления. В точке тройной точке Т могут сосуществовать в равновесии все три фазы.

"Кипение соответствует процессу интенсивного образования пара внутри объема жидкости при температуре насыщения или выше этой температуры" . В ходе данного процесса поглощается теплота фазового перехода, следовательно, чтобы кипение было осуществимо, требуется обеспечивать нагрев вещества, иными словами, подводить теплоту. Существует поверхностное и объемное кипение, причем последнее встречается достаточно редко. При объемном кипении, например, в результате резкого уменьшения давления, наблюдается значительный перегрев жидкости, а температура вещества превышает температуру насыщения при таком давлении. Поверхностное кипение происходит вследствие подвода теплоты к жидкости от твердой поверхности, которая соприкасается с веществом, находящимся в жидком состоянии.

При кипении высокая интенсивность теплообмена и сам процесс кипения широко используется на практике и производстве: выпаривание, перегонка, испарители, кипячение, преобразование веществ для изменения свойств и т.д. При этом для возникновения кипения необходимо, чтобы температура жидкости была больше температуры насыщения, т.е. соблюдалось бы условие Т жидк > Т насыщ, а также наличие центров парообразования. Чтобы теплота передавалась от стенки к кипящей жидкости, необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения: ∆Т = Т ст – Т кип

На рисунке 4 показана зависимость удельной тепловой нагрузки q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора ∆Т.

Рисунок 4 – Зависимость удельной тепловой нагрузки q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора ∆Т

В области АВ перегрев еще мал, активных центров парообразования недостаточно, а теплообмен определяется законами свободной конвекции около стенки α ~ ∆Т1.3. В области ВС перегрев выше, становится больше центров парообразования, теплообмен резко увеличивается, при этом наблюдается турбулизация пограничного слоя около стенки. Эта область называется пузырчатым кипением. Схема процесса теплоотдачи при пузырчатом кипении показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема процесса теплоотдачи при пузырчатом кипении

Часть жидкости испаряется, образуя таким способом пузырьки вещества в газообразном состоянии. Пузырьки вещества увлекают значительные массы жидкости, когда они поднимаются и увеличиваются в объеме, на место увлеченной и испарившейся жидкости поступает свежие потоки жидкости, за счет чего происходит циркуляция жидкости у поверхности нагрева, что приводит к ускорению процесса теплоотдачи. В этот момент α ~ ∆Т 2/3 . Высокий уровень интенсивности теплообмена при пузырчатом режиме кипения обусловлен степенью турбализации пограничного слоя у поверхности, которая пропорциональна числу и объему пузырьков, которые формируются в микровпадинах на поверхности нагрева.

В точке С коэффициент теплоотдачи достигает своего максимального значения, что соответствует максимальному значению удельной тепловой нагрузки q, далее будет наблюдаться резкое снижение коэффициента теплоотдачи. При соблюдении условия ∆Т ≥ ∆Т кр происходит слияние пузырьков, которые находятся близко друг от друга или образуются рядом, у поверхности стенки будет возникать паровая пленка, которая будет создавать дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Значение коэффициента теплоотдачи α резко падает. Этот режим процесса кипения называется пленочным. Следует отметить, что хотя пленка вещества в газообразном состоянии очень нестабильна, постоянно разрушаясь и возникая вновь, такой режим кипения серьезно ухудшает теплообмен, соответственно, на практике он крайне нежелателен.

Выводы

По итогам рассмотрения процессов кипения и конденсации можно судить о том, что они имеют большое значение в прикладных аспектах бытовой жизнедеятельности человека и производственных процессах.

В ходе изучения вопросов, связанных с теплообменом при протекании процессов конденсации и кипении, было установлено, что эти привычные человеку процессы имеют весьма сложную молекулярно-кинетическую природу. От протекания данных процессов зависит решение не только бытовых задач в повседневной деятельности человека, но и различные и многосторонние аспекты функционирования сложных технических систем, производственных комплексов, а также отдельных объектов и элементов инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства.

Процесс теплообмена при конденсации пара протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Специфика процесса конденсации состоит в том, что процесс теплообмена происходит при постоянной температуре.

При пузырчатом кипении теплообмен состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков пара вещества в виде теплоты испарения. Следует отметить, что теплообмен между стенкой и непосредственно пузырьками вещества в газообразном состоянии ничтожно мал, так как мала поверхность соприкосновения пузырьков пара со стенкой и мала теплопроводность пара. Для осуществления теплообмена жидкость должна иметь температуру несколько выше температуры пара, следовательно, при кипении температура жидкости выше температуры насыщенного пара над поверхностью жидкости.

Список литературы

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. – 552 с.
2. Бухмиров В.В. Теоретические основы теплотехники. – Иваново: изд-во ИГЭУ, 2008.
3. Ерохин В.Г., Маханько М.Г. Основы термодинамики и теплотехники. – М.: Ленанд, 2014. – 232 с.
4. Круглов Г.А., Булгакова Р.И., Круглова Е.С. Теплотехника. – СПб.: Лань, 2010. – 208 с.
5. Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника. – М.: ГЭОТАР, 2003. – 352 с.
6. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. – М.: изд-во Ассоциации строительных вузов, 2011. – 296 с.
7. Теплотехника / под ред. В.Н. Луканин. – М.: Высшая школа, 2009. – 678 с.
8. Теплотехника / под ред. М.Г. Шатров. – М.: Академия, 2013. – 288 с.