Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества.

 Теплообмен при кипении жидкости

Кипением называется процесс парообразования, характеризующийся воз­никновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паро­вой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения пара..

Характерной особенностью процесса кипения является образова­ние пузырьков пара. Различают кипение жидкости на твердой поверх­ности теплообмена и кипение в объеме жидкости.

Процесс кипений на твердой поверхности может возникнуть 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 перегреве жидкости от­носительно температуры насыщения при данном давлении. Объемное кипение можно получить при быстром уменьшении давления или при наличии в жидкости внутренних источников теплоты.

В теплоэнергетике обычно применяются режимы кипения на твердых поверхностях. В процесс кипения теплота от поверхности нагрева, имеющей температуру t_ст, превышающую t_ж, передается пограничному слою жидкости, а от этот слоя — массе жидкости и образующемуся пару. Пограничный слой имеет, с одной стороны, температуру стенки t_ст, а с другой стороны температуру кипящей жидкости, в пограничном слое жидкость перег­рета Δt относительно температуры жидкости в объеме на Δt= t_ст  - t_ж.  С увеличением плотности теплового потока q величина Δt возрас­тает. При q = 22220 вт/м² и температуре водяного насыщенного пара t_п =  100^о С, температура всей массы жидкости равна 100,4° С, а температура пограничного слоя -     109,1оС.

Наблюдения показывают, что пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидко­сти  (из-за более высокой температуры давление паров жидкости  здесь выше, чем в объеме) и только в отдельных точках. Этой поверхности  называеются цент­рами парообразования. Центрами образования пузырьков пара яв­ляются 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.

Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р_п выше давления окружающей его жидкости р_ж. Их разность определяется уравнением Лапласа

Δр=р_п-р_ж =

где s — поверхностное натяжение; R — радиус пузырька (в общем случае  - средний радиус кривизны поверхности раздела жидкости и пара).  Уравнение Лапласа выражает условие механического равновесия. Оно показывает, что поверхностное натяжение наподобие упругой оболочки «сжимает» пар в пузырьке, причем тем сильнее,

чем меньше его радиус R.

Для давления Р_п =40 ат насыщенного пара имеется простая аппроксимационная формула связи Р_п  и температуры насыщения t_н   (оС):

t_н= 100

Представление о порядке величин перепада давления Δр и абсолютного давления пара р_п внутри пузырька для воды при неизменном внешнем давлении р_ж = 1,010⁵ Па дают расчетные данные, приведенные в табл,

Таблица

Значения Δр и р_п·10⁵, Па, для воды

Приведенные цифры показывают, что при радиусе меньше нескольких десятков микрон давление пара внутри пузырька уже заметно превышает внешнее давление.  Зависимость давления пара в пузырьке от его размера накладывает особенности на условие теплового или термодинамического равновесия малых пузырьков. Пар в пузырьке и жидкость на его поверхности находятся в равновесии, если поверхность жидкости  имеет температуру, равную температуре насыщения при давлении пара в пузырьке, t_s (р_п).

Для роста пузырьков необходимо, чтобы p_н было больше давления пара в пузырьке, которое в свою очередь больше, чем меньше радиус пузырька. Поэтому начало   образования  пузырька  пара  происходит на искривленной поверхности (r>0 ) нагрева, или пузырек начинает расти на микропузырьке  растворенного газа в жидкости.   Увеличение шероховатости поверхности нагрева, увеличивает радиус кривизны центра парообразования, уменьшающего  давление p_п внутри пузырька_, что приводит к уменьшению соответственно температуры перегрева Δt.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрыва­ются от поверхности и всплывают наверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. При  отрыве пузырька подъемная сила пузырька превышает силу поверхностного натяжения в зоне ножки пузырька, по периметру соприкосновения его с поверхностью нагрева.

Если кипящая жид­кость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара имеет тонкую ножку и легко отрывается (рис. а). Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, при этом верхняя часть-пузырька отрывается, а  ножка   остается   на  поверхности (рис. б).

Рост  пузырьков  до от­рыва от обогреваемой по­верхности   и движение их   после 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.

Если жидкость еще недогрета (при атмосферном давлении Δt < 5° С), то образующиеся на самой поверхности теплообмена пузырь­ки пара после отрыва сразу конденсируются, а процесс кипения огра­ничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости у поверхности. В этом случае пузырьки пара слабо перемешивают пристеночный слой   и    теплоотдача   в   основном  определяется   свободной   конвекцией. Этот режим называют поверхностным, или конвективным, ки­пением.

При пузырьковом кипении площадь соприкосновения ножки пу­зырька пара с поверхностью нагрева весьма мала, поэтому почти вся теплота от поверхности нагрева передается пограничному слою жид­кости, а от последнего путем конвекции передается в объем жидкости.

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 (при р = 1 бар для воды l= 0,68, а для водяного пара l_п = 0,02 вт/м град) ). Теп­лоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом резко сни­жается и если количество передаваемой теплоты q остается неизмен­ным, то, как следует из уравнения q == a(t_ст - t_ж). при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение температуры стенки  t_ст. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии теплообменного аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи a зависит от физических свойств жидкости, температурного напора, давления и  шероховатости поверхности. Форм сосуда существенного влияния на теплоотдачу не оказывает.

На рис. показан график изменения коэффициента теплоотдачи

При   малых  температурных напорах  напорах до 5° значение коэффициента теплоотдачи

определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении  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 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 , a и q, соответствующие моменту перехода пузырько­вого режима кипения в пленочный, называются критическими. Уста­новление существования _кр имеет большое практическое значение для выбора оптимального режима работы кипятильных и выпарных аппаратов. При снижении удельного теплового потока для  пленочном режиме кипения  наблюдается режим,_, в котором происходит резкий переход от пленочного режима к пузырьковому (минимальное значение тепловой нагрузки при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока q_кр2.

При атмосферном давлении для воды, кипящей на технических металлических поверхностях, момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором _кр =   t_cт - t_ж ≈ 150°С, т. е. температура поверхности t_c составляет  примерно 250°С.

Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если раскаленное массивное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вода закипает, вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), вода начинает периодически смачивать поверхность, и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение).

Академик М. А. Михеев, используя данные Г. Н. Кружилина, рекомендует для р = 0,2-80 бар простые расчетные формулы для пузырькового режима кипении воды:

 ;                    ,

где: =(t_ст - t_ж)  - температурный   напор,   град;   Р - абсолютное давление пара, бар; q — плотность теплового потока, вт/м².

Процессы генерации пара в современных котельных установках  осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб при высоком давлении.

Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена.  Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), приведенные  выше условия остаются в силе, вместе с этим появляется ряд новых особенностей.

 На развитие процесса может влиять скорость вынужденного движения жидкости или пароводяной смеси. Кроме того, сама структура двухфазного потока (характер распределения паровой и жидкой фаз

внутри канала) также имеет важное значение для развития процесса кипения и возникновения кризиса кипения. На рис. показаны характерные режимы течения пароводяной смеси в трубах. В зависимости от содержания пара, скорости движения смеси, диаметра трубы и ее расположения в пространстве характер движения оказывается различным: в виде однородной эмульсии (рис. 4-4,а), в виде двух самостоятельных

потоков воды и пара (рис. 4-4, б, 3).  В одних случаях при этом вода движется по периферии у стенки в форме пленки, а пар в центральной части трубы  (рис. 4-4, б), в других получается раздельное движение — жидкость в одной, а пар

в другой части трубы (рис. 4-4, д).