teplotekhnika (852911), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Начнем с рассмотрения теплоотдачи при ки пении жидкости. Предварительно остановимся на некоторых особенностяхпроцесса, поясняющих механизм теплоотдачи при кипении жидкости.В курсе термодинамики при изучении процесса парообразования (иконденсации) принималось, что обе фазы в процессе изменения агрегатного состояния жидкости находятся при одинаковой температуре насыЩения 18, однозначно определяемой их давлением рЅ.Однако процесс парообразования связан с подводом теплоты, а длявозникновения теплового потока, как известно, необходимо наличиетемпературного градиента.
Поэтому на границе раздела фаз должна суЩествовать некоторая разность температур. Опыт подтверждает, что кипящая жидкость всегда несколько перегрета и на границе раздела фаз устанавливается небольшая разность температур А! = Іж - 15 тем большая,чем интенсивнее происходит процесс парообразования (для воды приатмосферных условиях А! = 0,4 + 0,8 °С).В кипящей жидкости устанавливается вполне определенное температурное поле, зависящее от условий теплообмена между фазами (паром и218водой) и от условий теплообмена с окружающей средой, в томчисле и с поверхностью нагрева.На рис. 10.14 показан полученный опытным путем графикраспределения температур вІ,°С108толще кипящей воды в зависи-106ности нагрева (процесс протекает при атмосферном давлении и104поверхностьмости от расстояния Іот поверх-подогреве воды снизу).Из графика видно, что температура жидкости Іж не сохра-раздела фаз102няет постоянного значения, аизменяется, повышаясь по мере 100приближения к поверхности на-грева.усамой поверхности нагревачастицы жидкости имеют тем-Вода02Пар1,.=' 100,4 1,=100461, СМРис.
10.14. Распределение темпера-Тур В объеме Кипящей жидкостипературу, равную температурестенки Іст, и здесь перегрев жидкости по сравнению с температурой на-сыщения 13, наибольший: АІСТ = Іст - 13 (А:ст может достигнуть значения в25 °С).Установлено, что пузырьки пара образуются только на поверхностинагрева, где перегрев жидкости, как указано, достигает наибольшегозначения, и зарождаются они только в отдельных точках обогреваемойповерхности, называемых центрами парообразования. Центрами парообразования являются пузырьки газа, адсорбированные поверхностью,неровности самой поверхности (микротрещины) и т.п.
Чем больше дей-ствующих центров парообразования, тем интенсивнее протекает процесс парообразования.Давление насыщенных паров над вогнутой частью поверхности раздела фаз больше, чем над выпуклой. В условиях равновесия разностьэтих давлений согласно формуле Лапласа уравновешивается давлением,создаваемым поверхностным натяжением. Применительно к сферическому пузырьку пара радиуса г разность давлений,Ар=р-1›Ѕ=23-тр-т›г р -р(10.41)где р - давление внутри пузырька пара, Па; рЅ- давление насыщения надплоской поверхностью, Па; р' и р” - плотности соответственно жидкости и сухого насыщенного пара, кг/м3; о'- поверхностное натяжениежидкости, Н.м.219Так как р > р8, то и температура насыщения 1г внутри пузырька паравыше температуры насыщения 18 над плоской поверхностью при давлении жидкой фазы.
Температура насыщения 18 является для данной жид-кости функцией давления 18 = Др).Следовательно,1 г =1 д +(11, 20 р'(118'АР =15 +-'----.арз(1888 у р,_р,,(10.42)Обозначив 18- 18 = А1Ґ, получим из (10.4І)р'2о (11ЅҐ=__-_Ш, др, Р'-Р”'(10.43)Из (10.43) следует, что чем выше перегрев жидкости А18, тем меньшерадиус пузырька пара г. Это показывает, что зарождение пузырьков парапроисходит на поверхности нагрева, где А1г достигает максимума:А1г = А1ст = 1ст - 18, а зародившиеся пузырьки пара (центры парообразования) имеют минимальный радиус гтіп.По (10.43) при А1г = А1ст определяется наименьший возможный радиус пузырька пара.
При г < гтіп давление внутри пузырька больше равновесного и, следовательно, пузырьки пара при г < гтіп не могут существовать.Опытом таюке установлено, что чем меньше радиус зарождаюшегосяпузырька пара, т.е. чем больше перегрев жидкости, тем больше числодействующих центров парообразования и тем интенсивнее протекаетпроцесс парообразования.Размер образовавщегося на поверхности нагрева пузырька пара радиуса гтіп начинает увеличиваться, его размер в момент отрыва от поверхности значительно зависит от смачивающей способности жидкости.
Если кипящая жидкость (например, вода, керосин) смачивает поверхность,то пузырек пара имеет тонкую ножку (рис. 10.15, а) и легко отрывается,а если поверхность не смачивается (например, ртуть), то пузырек имееттолстую ножку (рис. 10. І 5, б) и в связи с этим отрывается от поверхностис большим трудом, т.е. при достижении им большего объема. Размерыпузырька в момент отрыва от поверхности зависят от подъемной силы,действующей вверх, и силы поверхностного натяжения, прижимаюшейпузырек к поверхности, а также от динамического воздействия Циркулируюшего потока жидкости.Смачивающая способность жидкости определяется краевым углом 9.Если 9 < 90°, то жидкость считается смачивающей поверхность (для во-ды 9 = 50°); при 9 > 90° считается, что жидкость несмачивающая.В соответствии с изложенным можно считать, что пузырьки пара возникают именно в тех углублениях и впадинах микрошероховатости, где220Рис. 1 О.
1 5. Образование парового пузырька у смачивающих (а) и несмачивающих (6) жидкостейместные условия смачивания ухудшсны, что вызывается неоднородностью материала поверхности, инородными включениями, загрязнениемповерхности адсорбционными пленками масел и жиров, механическиминапряжениями и т.д.Оторвавшийся от поверхности пузырек пара всплывает в толще водыи, как показали специальные наблюдения, во много раз увеличивается вобъеме вследствие интенсивного испарения окружающей жидкости вобъеме пузырька. Последнее объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи от воды к пару достигает значений 200 000 Вт/(м2-К). Объем пузырька пара тем больше, чем выше перегрев жидкости и чем больше длительность всплытия пузырька.10.7.
Теплоотдача при кипении жидкости в большом объемеРассмотренный процесс развития в центрах парообразования отдельныхпузырьков пара и их дальнейшего всплытия характерен для режима пузырькового кипения. В этом случае основная часть поверхности нагреваомывается жидкостью, причем жидкость, а в особенности находящаяся уповерхности нагрева, хорошо перемешивается благодаря отрыву и дальнейшему всплытию пузырьков пара. Поэтому между жидкостью и поверхностью нагрева происходит интенсивный теплообмен.Учитывая, что площадь соприкосновения ножки пузырька пара посравнению с площадью поверхности теплообмена весьма мала, а теплопроводность пара во много раз меньше теплопроводности жидкости,можно без особой погрешности принять, что при пузырьковом кипениився теплота передается от поверхности нагрева к пристенному слою жидкости, затем конвекцией переходит к жидкости, заполняющсй объем, идалее расходуется на испарение жидкости в пузырьках пара (это объясняст значительный рост пузырьков пара во время их всплытия).Частота появления пузырьков в центрах парообразования и числодействующих центров парообразования, как указывалось, зависят оттемпературного напора (перепада) Аіст, увеличиваясь с его ростом.
В тоЖе ВрЄМЯ АҐСТ, Как ЭТО ПОНЯТНО, ВОЗраСТаСТ С УВЄЛИЧЄНИЄМ ПОВСрХНОСТНОЙ221плотности теплового потока с] (отношения теплового потока к площадиповерхности теплообмена). Поэтому при пузырьковом кипении с ростомАіст или с ростом поверхностной плотности теплового потока с] интенсивность теплообмена увеличивается.С увеличением с] (или Аіст) число действующих центров парообразования непрерывно увеличивается и, наконец, их становится так много,что образующиеся пузырьки пара сливаются в один сплошной паровойслой - пленку. Эта пленка ввиду относительно малой теплопроводностипара изолирует поверхность нагрева от жидкости, и в связи с этим коэффициент теплоотдачи резко (в 20-30 раз) уменьшается, а напор Агст значительно возрастает Такой режим кипения жидкости называется пленочным.Переходу от пузырькового кипения к пленочному соответствует так называемая критическая поверхностная плотность теплового потока.На рис. 10.16 показаны графики изменения коэффициента теплоотдачи воды ок (сплошная кривая) при кипении ее в пространстве большо-го объема и плотности теплового потока с] (штриховая кривая) от температурного напора АІП.
Точка К при Аісг = Аікр соответствует изменениюрежима кипения - наступлению пленочного кипения 2 после пузырькового І.Начальный участок кривой о: = І (АІСТ) до точки А пролегает менеекруто, чем участок АК. На участке до точки А (для воды Аіст = 5 °С ис] = 6 кВт/м2) перемешивающая роль пузырьков пара невелика, и коэффициент теплоотдачи в основном определяется естественной конвекцией жидкости.
За точкой А движение жидкости становится более интен-очч//ЧК/1\\~/7:2М/\\Г//,0,1І10Рис. 10.16. Зависимость коэффициента теплоотдачи а и плотности теплового потока с] от температурного напора Аіст при кипении воды222сивным (большим, чем при естественной конвекции в некипящей жидко-сти) вследствие перемешивающеговлияния бурно образующихся пузырьков пара.Знание значения критическойплотности ак теплового потока прикипении жидкости имеет большоепрактическое применение при расчетах теплообменников с кипящей жидкостью (кипятильники, паровые котлы). В таких теплообменниках всегдадолжен быть обеспечен пузырьковыйрежим кипения, т.е.
с] < ак.Если поверхность не смачиваетсяжидкостью, то при росте пузырька отрывается только его верхняя часть, аножка остается на поверхности. В связи с этим получается почти сплошнаяпаровая пленка, отделяющая жидкость от поверхности нагрева (явление,аналогичное переходу за Аікр при пузырьковом кипении), и, естественно, вэтом случае интенсивность процесса парообразования невелика.При развитом пузырьковом кипении в большом объеме теплоотдачане зависит от формы и расположения теплоотдающей поверхности.
Всвязи с этим ускорение поля тяжести практически не влияет на теплоотдачу. При этих условиях уравнение теплообмена для развитого пузырькового кипения может быть записано в следующем виде:Ми =/(Ке, Ргж).(10-44)В (10.44) критерии соответственно равны:Пи = ок Ґ/Жж; Ке = шкипҐ/уж; РгЖ = уж/аж.В качестве линейного определяющего размера в (10.44) принимаютвеличину Ґ, пропорциональную линейному размеру пузырька пара в момент его зарождения.В число Рейнольдса входит приведенная скорость кипения, м/с,шкип = 4/(гр”),(10.45)где а] - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2; г - удельнаятеплота парообразования, Дж/кг; р” - плотность пара, кг/мз.Уравнение (10.44) положено Д.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
