Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Когда пузырьки заметно возмущают пограничный слой жидкости, наступает режим развитого пузырькового кипения, при котором коэффициент теплоотдачи и тепловая нагрузка резко возрастают (зона В). При некоторой плотности теплового потока благодаря большому числу действующих центров парообразования и оттесняющему воздействию пузырьков на жидкость паровые пузырьки объединяются в пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности, а затем полностью отделяет жидкость от поверхности нагрева. Пленка непрерывно разрушается и уходит от поверхности нагрева в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся паровой пленки возникает новая. Такое кипение называется пленочным.
В этих условиях теплота передается от поверхности нагрева к жидкости путем теплопроводности, конвективного переноса и излучения, а испарение происходит с поверхности пленки. Так как теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, то появление паровой пленки приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи. Тепловая нагрузка при этом также уменьшается (зона С). Когда пленка покрывает всю поверхность нагрева, условия теплобмена стабилизируются и при дальнейшем увеличении А/ коэффициент теплоотдачи остается практически неизменным, а тепловая нагрузка увеличивается пропорционально М (зона .О).
При этом коэффициент теплоотдачи в 20 ... 30 раз меньше его максимального значения. В области перехода пузырькового кипения в пленочное зависимость д=/(А/) имеет максимум. Режим, отвечающий максимальному значению тепловой нагрузки, называют к р и т и'ч е с к и м. Критические значения температурного напора, коэффициента теп.
лоотдачи и плотности теплового потока зависят от природы жидкости и давления, под которым жидкость находится. Например, для воды при атмосферном давлении Миь=25 К, а,ч,=4,8.10' Вт/(мх К) и д„р — — 1,2 10а Вт/мх. При увеличении давления критическая плотность теплового потока сначала увеличивается, затем уменьшается. Например, для воды максимум критической плотности теплового потока достигается при давлении около 8.10з Па, а значение его в 3,2 раза больше, чем при атмосферном давлении. Анализ опытных данных показывает, что максимум критической плотности теплового потока получается при р= (0,3 ...
0,4) р„р, где р,г — давление, при котором удельные объемы кипящей жидкости и сухого насыщенного пара одинаковы. 398 Переход от пузырькового кипения к пленочному сопровождается резким увеличением температуры поверхности нагрева и мохгет привести к аварии. Поэтому для получения. высокой интенсивности теплопбмена на практике реализуют температурные напоры, несколько мерьшие критических, но близкие к ним. Для криогенных жидкостей, имеющих низкую температуру насыщения, пленочное кипение не связано с чрезмерным повышением температуры г(оверхности теплообмена и опасностью ее разрушения. С другой стороны, низкие коэффициенты теплоотдачи при пленочном кипений способствуют уменьшению потерь жидкости в процессе самопроизвольного кипения.
Поэтому для криогенных жидкостей применимы режимы пленочного кипения. Следует заме1гнть, что значения критической тепловой нагрузки при переходе рт пузырькового кипения к пленочному п„р, и при обратном д,рт подучаются различными. Величина д„щ значительно больше, чем д„р,, В дальнейшем рассматривается только критическая тепловая нагрузка, соответствующая переходу от пузырькового кипения к пленочному. Сложность процесса теплоотдачи при кипении, статистический характер основных параметров, определяющих процесс кипения (число действующих центров парообразования, частота отрыва пузырьков, диаметр пузырька в момент отрыва *), позволяют описать системой дифференциальных уравнений только наиболее вероятное протекание этого процесса при определенной его схематизации.
Для обобщения опытных данных по теплоотдаче при пузырьковом кипении возможны различные системы чисел подобия. Наиболее широко известны уравнения подобия, предложенные Г. Н. Кружилиным, Д. А. Лабунцовым, С. С. Кутателадзе и др. Рассмотрим результаты обобщения опытных данных по теплоотдаче прн пузырьковом кипении на основе системы чисел подобия, предложенных Д. А. Лабунцовым. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при пузырьковом кипении различных жидкостей привело к следующему уравнению: Мп,— — сК, Ргм, (13.10) где Иаь а1'/Х; К=д(е/(грач); г — теплота испарения жидкости; Л, т — теплопроводность и кинематическая вязкость жидкости; 1е— характерный размер, пропорциональный диаметру пузырька в момент зарождения, 1е=аТзр'с'1(р"г)з (13.11) (Т, — температура сухого насыщенного пара; р' и с' — плотность и теплоемкость кипящей жидкости) .
ь При одинаковых условиях процесса вти параметры могут иметь существенно отличные значения в различных участках поверхности нагрева. 399 Уравнение (13.10) обобщает опытные данные при К,=10 а ... 10т и Рг,=086...76. При К,)10 — а необходимо принимать с=0,125 п=0,65; при К,(10-а с=0,0625, п=0,5. Для расчета кипения жид. ких металлов и при К,)0,01 показатель степени при числе Прана. тля принимается равным показателю степени при числе К. Все физические параметры жидкости в уравнении (13.10) выбираются по Т,. Для конкретных жидкостей расчетные формулы существенно упрощаются.
Например, для пузырькового кипения воды при р= =(1,0 ... 40) 1Оа Па (13.12) а= 3 14пс т рс 'а. Рассмотренные формулы правильно характеризуют процесс теплообмена только для смачивающих жидкостей. Если жидкость не смачивает поверхность", то пузырьки имеют форму, показанную на рис. 13.3, б. В этих условиях кипение всегда сопровождается образованием паровой пленки у поверхности нагрева и поэтому коэффициенты теплоотдачи имеют небольшие значения.
Изучение пузырькового кипения показывает, что при больших давлениях интенсивность теплообмена выше, так как больше число действующих центров парообразования и частота отрыва пузырьков. Форма и размеры поверхности нагрева практически не влияют на коэффициент теплоотдачи. Высота слоя жидкости также не влияет на интенсивность теплоотдачи, если она больше 20...30 мм. Материал и состояние поверхности нагрева влияют на интенсивность теплоотдачи только в начальный период. По истечении некоторого времени поверхность приобретает «собственную» шероховатость, которая главным образом зависит от природы жидкости. Как отмечалось в начале параграфа, высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении обусловлена в основном динамическим воздействием растущего пузырька пара на жидкость.
Это утверждение справедливо при умеренных ускорениях, определяющих массовую силу, в том числе и при у=9,81 м/с'. При больших инерционных ускорениях (например, при вращении поверхности нагрева) возможны режимы, при которых интенсивность теплоотдачи определяется не только динамическими, но и конвективными эффектами. На этих режимах интенсивность теплоотдачи растет при увеличении ускорения. При меньших ускорениях, в том числе и в условиях ослабленной гравитации, интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении слабо зависит от ускорения.
Критическую плотность теплового потока можно найти с помощью критерия Р, предложенного С. С. Кутателадзе на основе гид ч Например, ртуть не смачивает стальную паверхность, 400 родинамивеской теории кризисов кипения. На основе этой теории кризис кипения возникает при Рар — — 0,13 ... 0,16, а Р, =у,р/(т)' р" у ов(р' — р") ). (13.13) Критическая плотность теплового потока зависит от шероховатости, ориентации поверхности нагрева в пространстве, ускорения, определяющегб массовую силу, и других факторов. Шероховатость поверхности повышает критическую тепловую нагрузку; для вертикальной поверхности критическая нагрузка больше, чем для горизонтальной.
Из формулы (13.13) видно, что величина д„р пропорциональна ускорению свободного падения в степени '/о Как показывают опыты, эта закономерность остается справедливой при уменьшении ускорения до О,! д и инерционных перегрузках 400д. В условиях невесомости д,р имеет конечную величину. Другие подходы при получении расчетных зависимостей для коэффициентов теплоотдачи при пузырьковом кипении и критической плотности теплового потока рассмотрены в (18). Там же рассмотрены соотношения для теплоотдачи при пленочном кипении. 5 1З.З.ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ В УСЛОВИЯХ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО ТРУБАМ Теплоотдача при кипении жидкости, движущейся по трубач и каналам, имеет ряд особенностей, которые обусловлены изменением температуры стенки я жидкости вдоль трубы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
