Теория тепломассообмена Э.Р. Эккерт Р.М. Дрейк под ред. Лыкова (1013696), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Если эта поверхность погружена в большой сосуд, то движение жидкости образуется только свободной конвекцией или движением пузырей. Этот вид кипения классифицируется как кипение в бассейне. Если, с другой стороны, кипение происходит на стенках трубы, через ~которую течет жидкость со значительной скоростью, то эта скорость влияет на рост пузырей и их отделение. Такое кипение называется кипением при вынужденной конвекции. Наиболее ~полно исследованным является бассейновое кипение с чистым испарением. Поэтому этот процесс будет рассмотрен детально в следующих параграфах.
Рассмотрение будет затем перенесено на локальное кипение с вынужденной 44онвекцией, наконец, несколько замечаний будет сделано о кипении при вынужденной конвекцви с чистым испарением. На рис. 12-6 графически представлено температурное поле в кипящей воде, измеренное для бассейнового кипения с чистым испарением над горизонтальной греющей поверхностью Пространство над поверхностью воды было заполнено паром при атмосферном давлении (соответствовало температуре пара 100' С). Из рисунка видно, что весь объем воды находится ~при равнохгерной температуре, но слегка перегрет (на 0,4'С). Однако возле греющей поверхности температура воды возрастает в тонком слое с очень большим градиентом до температуры поверхности 100'С.
Температурное поле зависит от величины теплового эт. 419 потока, давления, геометрии и кипящей жидкости. Однако качественные особенности, рассматриваемые здесь, проявляются одинаково во всех процессах кипения. Для понимания, температурных условий и теплообмена, связанного с кипением, атя»» необходимо |рассмотреть детально процесс образования пузырьков в жид7ГГ767 кости 1Л. 2291. Для этой с, Угала» цели рассмотрим сначала пузырек пара, находяе гдй»Х щийся в термическом равй 7Гт»З» новесии с жидкостью с постоянной температу- МЦЗЗ рой. При этом условии гг7773 пузырек с определенньгм 11 » ГУО»а»к"»Паа радиусом может сохра- »оды пц» па»д, няться, прежде чем прог»дгт изойдет либо его исчезно- вение путем конденсации, РД»» 7й»,гд» 7йг либо же его рост путем Расс о оао»»ад» гл»апаР»»а,лггя дальнейшего испарения жидкости в области пу- рно.
12-6. профиль темпеРатУРы зырька. Для того чтобы а кипящей жидкости над горизонтальной поверхностью нагрева изучить динамическое 1Л. 3541. равновесие пузырька, тгоказанное на р|ис. 12-7, представим себе пузырек радиусом г разрезанным на две половины и рассмотрим равновесие одной половины. Силы, действующие на поверхность плоскости 1 — 1, есть давление пара Р„, действующее изнутри пузырька, давление жидкости рг снаружи пузырька и поверхностное натяжение самой поверхности пузырька. Если мы обозначим эту силу на единицу длины поверхности через о, то сила, вызванная поверхностным натяжением, есть 2пгтл Давление пара и давление жидкости образуют силу в направлении, перпендикулярном плоскости 1 — 1, и равную разности давлений на площадь поперечного сечения пузырька. Получаем следующее уравнение: лг'1р — р,) = 2лга, откуда разность давлений равна: 2а Р, — Рг = 420 Термическое равновесие требует, чтобы не существовало температурной разности между паром в пузырьке и жидкостью, окружающей его.
Температура пара внутри пузырька должна также быть равной температуре насыщения при давлении 1р„. Давление в жидкости меньше, и поэтому жидкость должна быть перегрета, для того чтобы пузырек пара мог быть в равновесии с ней, Количество добавочного тепла тем больше, чем меньше радиус пузырька.
Термодинамика показывает, что давление насыщенного пара, находящегося в равновесии с жидкостью при определенной температуре, разделенных плоской поверхностью больше, чем давление насыщения на кривой вогнутой поверхности. Эта разность, однако, мала по сравнению с разностью давлений, определенной уравнением (12.14), до тех пор, пока давление испарения не приближается близко к критическому давлению кипящей жидкости. Если бы ура~эвенке было справедливо для нулевого радиуса, то это бы означало, что требуется бесконечно большое добавочное тепло, чтобы образовать ~пузырек в жидкости. В действительности для очень маленьких размеров пузырька рассмотрение следует вести, не исходя из непрерывности жидкости, на чем основано указанное уравнение, а исходя из ее молекулярной структуры.
Однако'йз этого уравнения видно, что требуется большое добавочное тепло, чтобы началось образование новых пузырьков. Образование новых пузырьков идет легче, когда газы находятся в форме малых газовых пузырьков внутри жидкости. Такие газы служат ячейками для образования пузырьков. Процесс образования новых пузырьков называют процессом сгущения. Пузырек пара, растет, когда температура жидкости больше, чем температура насыщения, соответствующая давлению р„. В этом случае тепло проводится в жидкость к поверхности пузырька, находящейся при температуре насыщения. Рассматривая такой процесс теплопроводности, Х. К.
Форстер и Н. Цубер 1Л. 2301 смогли вычислить рост пузырька, хорошо согласующийся с результатами измерений. Сгущение и рост пузырька в жидкости происходят в гомогенных атомных реакторах, где теплота испарения выделяется в процессе деления ядер атомов, размещенных в жидкости. Рождение, новых пузырьков в жидкости является той частью процесса кипения, которая до сих пор не была описана аналитически.
421 Если кипение происходит на твердой поверхности, через которую подводится тепло в жидкость, то требуемое большое количество добавочного тепла для роста маленьких пузырьков обеспечивается внутри тонкого слоя вблизи греющей поверхности 1см..рис. 12-61. Области особенно большого перегрева находятся в желобках на поверхности„ и очень вероятно, что образование новых пузырьков происходит именно в этих местах. В действительности усла- да ! б Рис.
12.8. Эскиз пузырька пара на. поверхности. Рис. 12-7. Эскиз пузырька пара в жидкости. вия для динамического равновесия возле твердой поверхности более сложны, чем для пузырька в середине жидкости. Рис. 12-8 показывает эскиз пузырька у поверхности. При этом условии следует рассмотреть три поверхностных натяжения. Первое, оы, определяется характеристиками пара и жидкости и действует в промежутке между паром и жидкостью.
Второе, осо определяется характеристиками твердой поверхности и жидкости и действует вдоль твердой поверхности со стороны жидкости и третье, о„, определяется характеристиками пара и твердой поверхности и действует вдоль твердой поверхности со стороны пара. Для равновесия в горизонтальном направлении необходима следующая зависимость между этими натяжениями: 112-15) Угол 8 зависит от относительной величины различных аоверхностиых натяжений. Он может быть меньше илн больше 90'. Считают, что в первом случае жидкость смачивает поверхность.
Когда угол р больше, чем 90', поверхность считается,н е с м а ч и в а е м о й. Часто, принимают, что существует тонкая пленка пара между жидкостью н твердой несмачиваемой поверхностью, даже когда не происходит кипение. Ясно, что условие смачиваемости поверхности сильно влияет па образование пузырей. Выло установлено, что вначале требуется меньшая тем- 422 пературная разность, чтобы передать определенное колйчество тепла с поверхности в кипящую жидкость, и что эта разность постепенно растет со временем.
~Принято, что газы, которые сначала адсорбировались,на поверхности, облегчают образование пузырьков до тех пор, пока они постепенно удаляются с пузырьками. Рассмотренное выше дает .возможность понять, что микроструктура поверхности и условия на ней оказывают большое влияние на кипение, когда имеет .место загрязнение или образование пленки адсорбированного газа. С другой стороны, форма поверхности должна иметь меньшее значение, так как толщина теплового пограничного слоя на поверхности в большинстве случаев определяется движением пузырьков. Рост и отделение пузырька от поверхности также являются более сложными процессами, чем происходящие внутри жидкости, так как пузырек растет в пограничном слое с большим температурным градиентом.
Вероятно, что на отделение пузырька влияют также силы инерции, особенно при больших тепловых потоках, которые вызывают быструю скорость роста, и при больших давлениях. Это иллюстрируется наблюдениями Эллиона 1Л. 2311, показывающими, что пузырьки продвигаются в жидкость со значительной скоростью с нижней горизонтальной, электрически нагретой полосы.
Сложность явления до настоящего времени мешала выполнить удовлетворительную аналитическую формулировку задачи. Теперь рассмотрим процесс теплообмена, связанный с кипением. Рис. 12-6 показывает, что термическое сопротивление в процессе иопарения в основном сосредоточено в тонком тепловом пограничном слое,на нагретой поверхности. Поэтому при анализе теплообмена при кипении внимание должно быть сконцентрировано именно а этой области. ~В литературе имеются два определения для коэффициента пленочного теплообмена при киаении.
В одном из них тепловой поток д иа греющей поверхности разделен на разность М между температурой поверхности,и температурой насыщения, 'относящейся к давлению жидкости. Другое определение использует разность между температурой поверхности и температурой массы жидкости. Это последнее определение лучше согласуется с определением, обычно употребляемым при изучении конвекции без фазовых превращений. Первое определение имеет преимущество в том, что температура насыщения может быть полу- 423 чена более легко и точно из измерения давления. Поэтому это определение употребляется чаще. Между прочим, разница между обоими коэффициентами теплообмена мала. Это становится очевидным из рис.
12-6. Рис. 12-9 дает коэффициенты теплообмена (согласно второму определению), измеренные при бассейновом кипении с чистым испарением воды при атмосферном давлении. Легко видеть, что коэффициент теплообмена увеличивается сначала ««а» »сх-и 'г »8ВПП О 888»п,'О 8888П,а ГО88ПО гоп»йп Уупп,о Пввп,п 8ОО»п 8888'О ГО88,П гпбпп Ороа ОВв,о впа'П 8 вп 88 8 84 ПВ 8 вр 88 8 д) 7 (о (О8 У Ж'и Рис. г24. Коэффициенты теплообмена для кипения води на горизонтальных трубах (А) н горизонтальных пластинах (В и С) нри 1 алга (Л. 3761. с постоянной скоростью с ростом разности температур 8г(. Приблизительно при 8г(=5,5'С скорость роста становится значительно большей,,затем примерно при туг= = 22,2' достигается максимум.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
