Основы теории теплообмена Кутателадзе С.С. (1013620), страница 56
Текст из файла (страница 56)
При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара, с внешней стороны которого время от времени отрываются и всплывают крупные пузыри. Вследствие относительно малой теплопроводности парового слоя интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении существенно меньше, чем при пузырьковом. 2281 Возникновение того или иного вида кипения определяется плотностью теплового потока у поверхности нагрева, ее физическими свойствами (в частности, смачиваемостью), физическими свойствами жидкости и гидродинамическим режимом потока в целом. Условия перехода от одного режима (вида) кипения к другому и области их существования отчетливо выявляются при построении зависимости козффи- Рис.
21.2. Переход от однофааной конвекпии к пленочному кипению (бензол, диаметр нагревателя 1,В мм, и=О,! .1Ое Па, о=1,5 1О' Вт/м') циента теплоотдачи от плотности теплового потока, или разности температур поверхности нагрева и насыщения: ЬТ = ҄— Т". На рис. 2!.1, а показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока при кипении в условиях свободной конвекции на поверхности с большим количеством вероятных центров парообразования. Левая, круто возрастающая ветвь кривой ОА выражает закон теплоотдачи при 282 пузырьковом кипении, нижняя ветвь БД вЂ” при пленочном. Кривая АБ оютветствует переходному режиму.
Как видно из рис. 21.1, б, при постепенном увеличении теплового потока, задаваемого независимо от процесса теплообмена в кипящей жидкости (радиоактивный распад, электрообогрев и т. п.), по достижении точки А пузырьковое кипение скачкообразно сменяется пленочным (линия АГ). Возврат к пузырьковому кипению обычно происходит при значительно меньшем тепловом потоке, чем при пленочном кипении. Этому переходу соответствует область около точки Б. Таким образом, имеет место определенный гистерезис в тепловых и гидро- динамических явлениях, связанных с переходом от одного режима кипения к другому. Приходится говорить о двух критических плотностях теплового потока: д„„при которой происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, и д„р„при которой происходит разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения.
В области значений плотности теплового потока, лежащих между д„р, и д„р, (т. е. между точками А и Б, см. рис. 2! .1, а), возможно устойчивое существование обоих режимов кипения или даже их длительное совместное сосуществование на разных частях одной и той же поверхности нагрева. Паровая пленка обычно возникает в отдельных местах поверхности нагрева при достижении значений д ) д„р, и далее с конечной скоростью распространяется по всей поверхности нагрева.
Аналогично при снижении теплового потока до значений д ( д„р, происходят локальные разрушения пленки с последующим распространением пузырькового кипения на всю поверхность нагрева. На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, процесс кипения имеет нестабильный характер, а интенсивность теплообмена колеблется между условиями конвекции однофазного потока и развитого пузырькового кипения (рис.
21.2). При этом возможен непосредственный переход от однофазной конвекции жидкости к режиму пленочного кипения. Нормальный процесс перехода от пузырькового кипения к пленочному впервые был изучен экспериментально Никайямой. Процессы нестабильного кипения впервые детально были изучены в работах В. И. Субботина и Л. Н. Сорокина, С. С. Кутателадзе, Н. Н. Мамонтовой и В. П. Авксентюка. 2Ь2. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ Температура жидкости и пара вблизи раздела фаз равна температуре фазового превращения (насыщения), соответствующей давлению в данной точке (с учетом кривизны границы раздела фаз). При пузырьковом кипении, когда поверхность нагрева непосредственно омывается жидкостью, основное падение температуры происходит в тонком присте ином слое жидкости.
В этом случае вследствие высокой интенсивности тепло- отдачи конвектирующей жидкости и малой теплопроводности пара можно считать, что практически все тепло передается от поверхности нагрева к жидкости, а затем уже паровым пузырям путем испарения в них жидкости. При пленочном кипении тепло передается непосредственно пару, находя.щемуся в слое, отделяющем жидкость от поверхности нагрева, и далее идет на испарение жидкости с границы раздела фаз. Таким образом, в паровом слое устанавливается непрерывное поле, изменяющееся от температуры поверхности нагрева до температуры насыщения.
Изложенное хорошо иллюстрирует то обстоятельство, что при теплообмене, сопровождающемся изменением агрегатного состояния, температурный напор может существовать в любой из фаз, как в возникающей (в данном случае пар), так и в исчезающей (в данном случае жидкость). В ряде случаев (закалка, непрерывное литье металлов, охлаждение двигагелей и т.
п.) поверхность нагрева может иметь температуру, существенно ббльшую температуры насыщения, хотя основная масса охлаждающей жидко- 283 сти остаегся недогретой до этой температуры. В таком случае имеется некото. рая нзотермическая поверхность, по одну сторону которой жидкость перегреть, а по другую недогрета до температуры насыщения. Первая область наги. вается кипящим граничным слоем, вторая — холодным ядром потока. В пер. вой происходит парообразование, во второй — конденсация пара. 21.3.
ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ, ЧАСТОТА И СКОРОСТЬ РОСТА ПАРОВЫХ ПУЗЫРЕИ При пузырьковом кипении паровые пузыри возникают в отдельных мести, поверхности нагрева — центрах парообразования. Вырастая до определенно. го размера, паровые пузыри отрываются и всплывают в толще жидкости, ей разуя над центром парообразования столбы пара. При этом перегрев основ. ной массы жидкости весьма невелик (порядка 0,01 — 0,1' С).
Поэтому при нз. личин на поверхности нагрева или в объемежид. кости достаточного числа центров парообразова. ния кипение практически начинается по дости. женин поверхностью нагрева температуры, нз десятые доли градуса превышающей темпера. 3 туру насыщения жидкости при данном давле. нии. Однако если поверхность обеднена центрами парообразования, жидкость в сосуде можеь быть значительно перегрета.
Например, в глад. кой, хорошо промытой стеклянной колбе ди. стиллированная и дегазированная вода можех Рис. 21.3. Схема образования пузыря в несмачиваемоа впа- быть легко нагрета до 115 †1' С при атме. дине сферном давлении, а при особой тщательности опыта и более 200' С.
Перегретая жидкость при введении в нее предметов, которые могут служить центрами парообразования (песчинки, пузырьки воздуха и т. п.), мгновенна вскипает, образуя в начале процесса большие пузыри пара, и ее температура снижается до нормального уровня. Обнаруживается также влияние материале поверхности нагрева на температуру закипания чистой жидкости.
Установле. но, что центрами парообразования являются микроуглубления в поверхности нагрева, заполненные воздухом или другим газом. Схемы возникновения па. рового пузыря в микроуглублении показаны на рис. 21.3 по Бэнкову. Если рассмотреть идеализированную схему возникновения паровой фазы в жидко.
сти, заполняющей коническую впадину, то радиус возникающей границы раз. дела фаз 1г = )хх/ соз (й — р). (21.3. !) Здесь Я, — радиус конуса на линии соприкосновения стенки, жидкости и на. ра; Π— угол смачивания; Р— угол раскрытия конуса. В свою очередь, краевой угол связан с коэффициентом поверхностного нь тяжения на границах пар — жидкость, пар — стенка и жидкость — стенка фор.
мулой о соз„й = о,', — а,',. (21.3.2) Вероятность образования паровой фазы в результате флуктуации плотности в некоторой точке перегретой жидкости определяется известной формулой сть тистической физики (21.3.3) ез сю ехр ( — пТ" оа/)г (гр" АТ)в). Здесь А — постоянная Больцмана; ЛТ вЂ” перегрев жидкости против температуры насыщения над плоской поверхностью раздела фаз. Минимальный пе. регрев жидкости должен соответствовать температуре насыщения над поверх.
постыл раздела фаз данной кривизны. 284 Превышение давления в пузыре определяется формулой (5.4.5), т. е. для сферической поверхности /хргр — — 20%. (21.3.4) Кроме того, кривизна поверхности раздела вызывает изменение температуры васьицения по сравнению с Т" над плоскостью при том же давлении, соответ- ствующее разности давлений /хР =, „ /)ьРгр. Р" р' — Р" (21.3.5) Отсюда равновесная температура насыщения в паровом пузыре радиуса И Тл =Т" + — (Лр„+ Ар") = Т" -~- — Р . (21.3.6) 0 ор /ч' (р' — р") По известной термодннамической зависимости г)Та)/(р = Т" (р — р")/(гр' р").
(21.3.7) Отсюда минимальный радиус возникающего пузыря равен 2ор' г(Т' 2Т" о ЬТ (р' — р") г(р гр" ЬТ (21.3.8) Теоретическое значение перегрева при возникновении кипения по формуле(21.3.8) вполне удовлетворительно согласуется с опытами Гриффитса и Уоллеса (рис. 21.4). На рис. 21.5 показан характер распределения числа действую- л" с1 у ф. г Д 1 00 100 Ркпа Рис.
2!.4. Сопоставление теоретических и экспериментальных значений степени перегрева при пузырьковом кипении. Средняя линия проведена ао уравнению (21.3.8) длв 0=0,0482 мм, две другие дают погрешность при вероятной (оценочно) ошибке измерения диаметра устья впадины, равной 2,54 1О-' мм; верхняя линия для Р=0,0455 мм, а нижняя для Р=0,0508 мм: Р-установившаяся скорость обрааования пуаыреа; б — скорость от б до г/б с-а; о — скорость мень. ме 1/б с-а; + — смертвая» впадина; о — прекращение процесса сбрасовсивя пуаыреа; х — начало етого пропесса 285 щнх центров парообразования и по частотам возникновения паровых пузырей по опытам Л. М.
Зысиной-Моложен. Максимумы на кривых соответствуют наи5олее вероятной частоте образования пузырей при данных конкретных условиях (состояние поверхности нагрева, тепловой поток, давление, физические свойства жидкости). Эти кривые наглядно иллюстрируют статистическую природу пузырькового кипения. На рис. 21.6 приведены схемы развития отдельных пузырей на горизонтальной поверхности нагрева. Как видно, не существует четкой геометрии тройного контакта паровой, жидкой и твердой компонент системы поверхность на- грена — кипящая жидкость.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
