Теплопередача (Исаченко В. П. Осипова В. А. А. Сукомел С.) (555295), страница 63
Текст из файла (страница 63)
В качестве центров могут быть неровности в виде впадвн шероховатой поверхности, а также различные трешнпы, канавки н др. К навболее бчагопрнятным условиям образования йузырька относятсв условна, при которых затрачиваемая работа будет минимальной. 296 Зависимости (13-1) н (13-2) позволяют выразить критический р»- днус пузырька: хт .г.
(т — т) [13.3) Ряс 13-1. Ц определенвы нннннноь. ного рнлнусн парового пузыря 8 н «рненапз угла 8 о„-.л нг г о,— мы Работа, затрачиваемая на образование пузырька в объеме жидко. сти (Л. 104), выражаезся зависимостью Х, = — бр )г 1 оЕ, где У в Т вЂ” объем н поверхность пузырьков. Величина ор есть работа образования ыежфаэной поверхности Р. Чем меньше работа /., тем больше вероятность вскипвния, так как вероятность пропорциональна ехр( — Е/йу ), где А= 1,38.18™ Дж/К— постоянвая Болызмаиа. Объем и поверхность пузмрькв составляют — и/(г» и 4н/сн. Поэтому 4 3 выражение для Е можно, учитывая формулы (!3-1) — (13-3), записать так: 4 1Ш 16 ' ГТ "= за» з (гы)' (, ас / Отсюда видно, что чем больше перегрев жидкости б!=Т вЂ” Т„(н больше бр нли меньше /г ), теы меньше величина работы Ь.
Итак, вероятность начала вскипаипя перегретой жидкости в обт:еме увеличивается по мере увеличения перегрева. Физические условия появления пузырьков на зеплоотдаюшей поверхности по многом сходны с рассмотренной картиной объемного вскипания. Главное отличие состоит в том, что паровой пузырек кроме межфазвой поверхности будет иметь поверхность раздела тверлое тело — жвдкосгь, нн которой обычно молекулярное сцепление более или менее ослаблена. Поэтому величина слагаемого в выражении для /-.
указмвающего работу образования новых поверхностей раздела фаз. оказывается количественна меньше!!. В итоге меньшей становится в вся величина минимальной работы, а соответствующая вероятиосп возникновения пузырька — большей. Е Молекучярное сцепление на твер- дой поверхности тесно связана с рас- ,гл' р в смотреииым в э !2-1 явлением смачи- †..... †.
го л зг вания. На рис. 13-1 схематически по- лгл .- =.Ф " в нсг казан пузырек пара критического г:..4огзлч зл' .')гл1сгзкп:чзбе размера, возпнкаюп1ий иа плоской по- г, верхносги нагрева при условии, что жидкость смачивает зту поверхность нагрева и краевой угол при кипении 8 он<зг/2. Рядом показана форма пузырь- нн о з ч ка на несмачиваемой поверхности пРи 8 ы>к/2. РассмотРим слУчав 8 <и/2. ПолнаЯ повеРхиость )с пузырька состоит из части Р , на которой пар соприкасается с жидкосп,ю н основания пувырька Рс. Определим работу образования новых поверхностей раздела при цоявлевии такого пузырька па поверхности теплообмева. До появления пузырька поверхности Р не было, а участок Р» омывался жидкостью. Поверхностная энергии ня этом участке была Р,ож, После возникновения пузырька образовалась поверхность Ры и была затрачена работа Р о .
иа ее создание. Кроме того, на поверхности Ро произошло замещение жидкости паром, иа что потребовалась энергия (Рсомс — Рсо,о). Работа отрыва жидкости от поверхпостк 297 называется работай адгеэии. В иъзге образования новых поверхностей при появлении пузырька на плоском участке поверхности твердого тела эта работа равна; р омл+р«(о л — и«.
). Согласно рве. 13-1 о«л — п««=о«з сов 6 (индексы «ж», «п» п «кип» далее опускаем). Поэтому предыдтшее выражение принимает вид: Р. ~1 — —,' П вЂ” сгиб)~ г, и А= — брр+Р«(1 — — „— "' (1 — созй)~. г« (13.5) В случае, рассмотренном на рпс. 13-1, отношение поверхности основания Г, к полной поверю1остн Г п!пырька можно выразить через три- гоноиетрп 1еские функции от величины О Од— пака припеденное выражение применимо так— — — — — 1ке для более общего случая, когда пузырек — образуется не иа плоском участке (как на — — — рис. 13-1). а в углубленна илп па выступе элемента шероховатости произвольной формы / Рс!/,' '.: Ф ф (Л.
135. 136) (рис. 13-2). Тогда отношение ®фаз: ф яЩ рг)р характеризует ту долю поверхаасти пузырька. ва которой пар соприкасается с поверхностью нагрева. Отнпшеиие зависит о1 рве. 1з-з, к овэюе««нпю фопмы элемента шероховашсгн, При этом п«резях пззпрь«аз «а по. верхкштп с гтзгсзею1япп. Работа образования граничных поверхностей будет тем меньше, чем больше отношение Р,/Р и чем больше величина краевого угла 6. Следовательно, наиболее вероятными местами возникновения пузырьков пй теплоотдяющей поверхяоств будут элементы шероховатости в виде углублений, впадин н именно те из пях, в которых местные условия смачиваннп по каким-либо причинам укудшены.
Локальное ухудшение смачиваняя (увезкченне 6) может вызываться неоднородностью материала поверхности,инородными включениями, разлвчнымн загрязнениями н,в частности, трудноудаляемыми адсорбциаппыл1и пленками масел и жаров, »1ехапическипи напряжениями н т. п. Сиял«ение давления при прОчих равных условиях прпнодп1 к умепыпезию абсолютной величивы первого слагаемого правой части зависвмосзи (13-5), т. е, к увеличению работы на образавзяие парового пузырька. Вследствие этого при уменьшении дав«1еппя качало процесса парообразовання сдвигается в облас~ь более высою1х перегревов жидкости.
Соотпошепип (13-!) н (13-5) позволякп найти связь между крае- вым телом в формой нпадин. П Скорость роста пузырьков Одной нз основных характеристик механизма теплообмена при кипении жидкости является скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева. После зарождения пузырьков на центрах радиусов )! й„ происходит рост паровых пузырьков за счет подвода к ппм теплоты. Подвод 293 теплоты осуществляется путем теплопровидности нз окружающего пузырек перегретого слоя жидкости через ь>ежфазпук> поверхность Е,„и через поверхность под пузырько» Е„ в основании.
Теплота, подведенная к пузырьлу, идет на испарение жидкоств и работу рашпнрения. Скорость роста пузырьков зависит ог интенсивности подвода теплоты обеими составляющих>и теплового потока. В качесше параметра. определяющего интенсивность теплообмена при кипеаии, может быть использовано ч и с л о Якоб а.
Число Якоба получается при приведении системы днфференниальных сравнений и условий однозначности, описывающих теплообмен при кппеяни жндкостр, к безразмерному виду. Длн указанной сипел>ы получено уравнение подобия (13-8). Последний безразмерный комплекс, входящий в праву>о часть зтаго > равнения, является числом Якоба; За= г ы > ы Число Якоба характеризуе~ соотношение между тшшовы» потоком, идущим па перегрев единицы объема жидкости, и объемной ~еплотой парообразонания.
Оно зависит от давления и перегрева жздкощи. С повышением давления число Якоба уменыпается, так как существенно увеличивается плотность пара. Наоборот, с понижением давления зто число увез>щиваегся. С увеличением перегрева жидкости число Якоба растет. В зависнмостн ат различных условий составляются соответствую>цие уравнения тепловоп> баланса па границе парового пузыря, из которых находятся аналитические зависнятостн для определения радиуса пузыря в период его рос~а па центре парообразоваиия. 11ри давленяях выше атмосферного (число Якоба(20) рост парового пузырька происходит за счет ~сипоты, переданае»ой от поверхности нагрева к его основанию через прилегающий слой жидкости. Изменение радиуса парового пузырька во времени определяется зависимостью (Л.
99, 126) Зт =-)> 2)За "з/оч, (! 3-б') где т — время пребывания пузырьков ва поверхности теплообмена; а— козффициснт температуропроводностн .кидной фазы. Второй предельный случай имеет место прн низких давлениях (число Якоба За~20). Тейлоть к паровому пузырьку передается от перегршого слоя всидкостн на межфазной паверхносю>.
и радпус парового пузырька тогда определяется соотношением З! — 2ТЗа )' ач. 113-бн) В общем случае рост паровых пузырьков происходит как за счет теплоты, передаваемой от поверхносп> нагрева в основа>ше пузырька, так и зз счет теплоты перегретого слоя жидкости на ь>евсфазной поверхности. Тогда изменение радиуса парового пузырька ва времени аырюкается уравнением (Л.
21Ц )1= — (ТЗа+)' Т'За'+2)За))> ач. (13-6) Параметры у и б зависят ат геометрических факторов. Цлн краевых углов смачизания О 40 —:90' величина Т=О,! —:0,49. Эксперимет>- тальоо ущановлено значение б =О. Зависимость (13-б) получена для данления (О,! †: !00)10' Пз (числа За=1000 —:О,!). Из приведенных зависимостей следует, что паровые пузырьки увеличиваются с ростам числа Якоба. Однако при низких давлепинх влияние числа Якоба существенно больше, чем при высоких.
Это говорит о том, что скорость роста пузырей при низких давлениях выше, чем при высоиих. С увеличением перегрева жидкости скорость роста пузырьков повышается а обоих случаях. Д. Отрывной диаметр пузырьки Паровой пузырек, зародившись на стенке, растет до некоторого размера, характеризуемого диаметром бь при котором ан отрывается. Раанер пузыря в завершающей стадии его роста па поверхности тепло- обмена называется отрывным диаметром. В период возникновения и роста на пузырек действуют главным образом силы, удерживагощие его в центре парообразования. С возрастанием размера пузырька увеличивается подъемная сила, стремящаяся оторвать пузырек от центра.
Из равновесия сил можно получить аналитические выраткения для отрывного диаметра пузырька. В общем случае к силам, оказывающим влияние на паровой пузырек, относят подъемные силы, силы поверьноспюго натяжения, инерциопаые силы н силы лобового сопротивления. Последние дае силы относит к гидродииамическии силам, так как онн возникаип нри движении массы жидкоши, обусловленном ростом пузырька (Л. 35, 73, 166). В статических условиях отрывной диаметр парового пузыря определяется из условий мелвин геского раваоиесня между подъемной силоуч стремящейся оторван паровой пузырек от поверхности, и силой поверхностного натяжения, удерживающей его иа твердой поверхности.
На рнс. 13-3 показана упрощенная схема роста. В действительна. сти, если даже не учитывать динамического аффекта, следует иметь в виду, что по мере увеличения пузырька форыа его будет всг более отклоняться от первоначальной сферической. Зто объясняется нозрастающей ролью сил полей тяжести, сгремящнхся как бы вытянуть пузырек в направлении от поверхности.
В момент отрыва пузырек обычно существенно деформирован. фритц (Л. 213а) теоретически рассчитал объемы пузырьков перед отрывом в статических условиях для разных значений красных углов. Результаты вычислений могут быть иитерполироваиы простой фюрмутюй. Если понимать под отрывным диаметрам г(, зквивалегпный диаметр кгб*ге)п, где (з †объ деформированного пузырька перед отрывом, то формула имеет вид: г(,=-6,626661 о/д(6' — я ) (13-7) фграевой угол 6 измеряезся в угловых градусах). Как слелует из (13-7), великана отрывного лиаметра прп кипы~ни зависит от краевого угла смачивапия 6.
С увеличением краевого угла емачиваемость поверхности жидкости ухудшается, паровой пузырек при отрыве имеез большие размеры. Когда краевой угол 6 становится болыпе и(2 (жидкость ие смачивает поверкность), резко увеличивается доля поверхности нагрева, зкршпгроианиаи основаниями растущих пузырьков. Жидкость как бы оттесаяется от поверхности, и интенсивность теплоогдачи уменьшается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
