Основы теплопередачи Михеев М.А, Михеева И.М. (1013622), страница 22
Текст из файла (страница 22)
113 2 гаа В В ф 2 10" В и Ф 2 202 2 ВВВГВ 2 В 0020'2 4 ЕВ10 Я '0 Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если, например, 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). В этом примере кипение протекает в нестационарных условиях во времени.
Стационарное кипение в переходном режиме на практике может наблюдаться в том случае, когда температура поверхности нагрева поддерживается неизменной за счет контакта этой поверхности с внешней стороны с другим теплоносителем, имеющим более высокую температуру и значительную интенсивность теплоотдачи.' Такие условия подвода теплоты можно кратко характеризовать как условия обогрева при г, = сопз(. На практике, однако, часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. д = сопз(. Это характерно, например, для электрического обогрева поверхности, для обогрева за счет тепловыделения в результате ядерной реакции в атомном реакторе и приближенно в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой.
В условиях д = = сопз( температура поверхности 1, и соответственно температурный напор Л~ зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает новые специфические черты, имеющие важное прикладное значение. Рассмотрим их подробнее. Для этого вновь обратимся к рис.
4-3. При постепенном повышении тепловой нагрузки д температурный напор Л( возрастает всоответствии слинией пузырькового режима кипения на рис. 4-3, и процесс развивается так же, как это было описано выше. Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока д„ры Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышейии величины д возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой д,ры которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (д — гг„р,) вызывает увеличение температуры поверхности, т.
е. начинаегся нестационарный разогрев материала стенки. Температура поверхности ~, оказывается более высокой по сравнению с г, „р„на поверхности устанавливается переходный режим кипения, и отвод теплоты начинает снижаться. В итоге разность между подводимым н отводимым коли- ' Примером может служить обогрев поверхности насыщенным паром необходимой температуры и давления. В процессе его конденсации интенсивность теплоотдачи к поверхности весьма высока (см. 5 4гй). 114 чеством теплоты быстро нарастает во времени.
Соответственно увеличивается скорость разогрева поверхности. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности.
На рис. 4-3 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке д,р,. Однако обычно кризис сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом). Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т.
е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 4-3). Лишь при достижении д,г, жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева. Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис. 4-3 также условно показан стрелкой как «перескокэ с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при Ч Чкр2' Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока д, подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока д„р, и д,р«соответственно. В этих условиях переходный режим кйпения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.
Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей, а также в ряде других технических устройств. На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара на современных тепловых электрических станциях 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), описанные выше условия остаются 1!5 в другой части трубы (рис. 4-4, д). Пузырьковый режим течения смеси (рис. 4-4, в, г) различен при вертикальном и горизонтальном положениях трубы. Процесс кипения может происходить также при течении в трубе недогретой до температуры насыщения жидкости, если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока. Такой процесс возникает, когда температура стенки г, превышает температуру насыщения г,; он охватывает по- О11, З)ф пг ~.
о ~~~~~~~1 у граничный слой жидкости около стенки (рис. 4-5). Паровые пузырьки, попадающие в холодное ядро потока, быстро конденсипения е недогревом. руются. Этот внд кипения называют кипгнием с недогревом. 2. Теплообмен при пузырьковом кипении. Наблюдения показывают, что при увеличении температурного напора Лг = г',— г„ а также давления р на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования и. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева. Вследствие этого увеличиваются турбулнзация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости.
В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки также интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя. Все это способствует улучшению теплоотдачи. В целом процесс пузырькового кипения носит довольно хаотичный характер. Исследования показывают, что на технических поверхностях нагрева число центров парообразовання и зависит от материала, строения и микрошероховатости поверхности, наличия неоднородности состава поверхности и адсорбированного поверхностью газа 1!6 в силе, но 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 н жидкой фаз внутри канала) также имеет важное значение для развития процесса кипения и возникновения кризиса кипения. На рис. 4-4 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, д). ве В одних случаях прн 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 (воздуха). Заметное влияние оказывают различные налеты, окисные пленки, а также любые другие включения, приводящие к понижению работы адгезии. Под р а б о т о й а д г е з и и понимают работу, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности на едннице площади. Эта величина характеризует меру молекулярного сцепления жидкости с поверхностью и связана с явлением смачивания.
Чем лучше жидкость смачивает данный участок поверхности, тем выше работа адгезии. Наблюдения показывают, что в реальных условиях центрами парообразования обычно служат отдельные элементы неровности и микрошероховатости поверхности (предпочтительно различные углубления и впадины), причем в первую очередь, по-видимому, те из них, для которых работа адгезии имеет наименьшее значение.
Обычно на новых поверхностях число центров парообразования выше, чем на тех же поверхностях после длительного кипения. В основном это объясняется наличием адсорбированного поверхностью газа. Со временем газ постепенно удаляется, он смешивается с паром, находящимся в растущих пузырьках, и выносится в паровое пространство. Процесс кипения и теплоотдача принимают стабильный во времени характер и интенсивность. На условия образования паровых пузырьков большое влияние оказывает поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и пара.
Напомним, что поверхностным натяжением называется сила, под действием которой свободная поверхность жидкости стремится сократиться; эта сила действует по касательной к поверхности. За единицу поверхностного натяжения принимают силу, приходящуюся на единицу длины произвольной линии на поверхности жидкости. Эта величина обозначается о, Н!м, и является физической характеристикой данного вещества. С увеличением температуры величина а убывает и при критической температуре становится равной нулю.
Изменение поверхностного натяжения с температурой может быть определено по формуле Бачинского о с (р' — рч)э, (4-2) где р' — плотность жидкости; р" — плотность пара при температуре насыщения; с — коэффициент пропорциональности. При температуре 20'С поверхностное натяжение воды равно 0,068, бензола 0,0288, этилового спирта 0,0222 и ртути 0,47 Н!м'.
Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р„выше давления окружающей его жидкости р . Их разность определяется уравнением Лапласа 2а йр Рп Рж= э (4-3) где о — поверхностное натяжение; )с — радиус пузырька (в общем случае — средний радиус кривизны поверхности раздела жидкости и пара). 1!7 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 !т'. Представление о порядке величин перепада давления тьр и абсолютного давления пара рп внутри пузырька для воды при неизменном внешнем давлении р = 1,0 10' Па дает табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
