Влияние способа обогрева поверхности теплообмена на развитие процесса кипения. Кризисы кипения
На рисунке 33 приведена классическая зависимость плотности теплового потока при кипении от перегрева жидкости. Она получена при таком способе обогрева, когда изменяется и поддерживается заданная температура стенки (паровой обогрев, например). Но очень часто обогрев ведут, поддерживая заданную величину плотности теплового потока q (электрический обогрев, например).
Тогда кривая кипения будет иметь различный вид при нагреве и при охлаждении (рисунок 34).
Процесс
перехода от точки 1 к точке 2 носит
скачкообразный характер. То есть явление
такое: при достижении точки "1" и
попытке дальнейшего увеличения плотности
теплового потока отдельные пузырьки
пара начинают сливаться в сплошную
пленку, что ведет к ухудшению охлаждения
жидкостью нагреваемой поверхности и
быстрому росту ее температуры. Это
приводит к еще более быстрому росту
парообразования и т.д. Процесс -
скачкообразный. Поэтому он называется
первым кризисом кипения (точка
,
).
q
Рис. 34. Кризисы кипения
Если
теперь от точки "3" уменьшать q,
то температура стенки снизится до точки
"4" без перехода к пузырьковому
кипению. Затем температурный напор
скачком уменьшится до точки "5".
Причина - быстрое разрушение паровой
пленки и переход к пузырьковому кипению.
Это явление называется вторым кризисом
кипения (
,
).
Кривые кипения обычно строятся в логарифмических координатах.
Расчет теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости в большом объеме
Расчет производится по формулам:
при
при
где
;
;
;
,
;
;
;
;
;
- теплофизические свойства жидкости.
Для жидкости при температуре насыщения
,
- плотность жидкости,
- плотность пара при
,
-
температура насыщения по шкале Кельвина.
-
характерный размер пузырьков пара.
Число Рейнольдса построено обычным образом, то есть за характерный размер принят , скорость W - это скорость пара (средняя).
-
массовый расход пара
.
Cкорость пара будет:
отсюда
Приведенные выше формулы используются, если задана величина q.
Если
задана
,
то есть, фактически,
,
то подставляя
,
получим, например, из второй формулы:
или
Окончательно расчетные соотношения примут вид:
при
при
Особенности кипения недогретой жидкости.
Если
,
а
то может возникнуть кипение недогретой
жидкости. Особенность процесса состоит
в том, что пузырьки пара, оторвавшись
от обогреваемой поверхности и двигаясь
вверх, не увеличиваются в размере, а
уменьшаются. Это происходит из-за
конденсации пара в них, так как
.
Пар может достигнуть свободной поверхности
жидкости, а может и не достигнуть ее. В
последнем случае пузырьки исчезнут в
слое жидкости (пар сконденсируется). Но
наличие этих пузырьков и их движение
приводит к интенсивному переносу тепла.
Коэффициент теплоотдачи будет много
больше, чем в условиях простой конвекции
без кипения.
Особенности теплообмена при кипении жидкости внутри труб
6
)
вертикальные трубы.
Принято выделять 3 зоны:
I - зона подогрева жидкости.
II - зона кипения.
III - зона подсыхания влажного пара.
При течении жидкости по трубе соотношение количеств пара и жидкости изменяется от 0% пара до 100% пара.
I - 0% пара.
II - 0% <пара <100%, то есть двухфазная зона.
III - 100% пара.
В свою очередь зона кипения (испарительный участок) подразделяется на области поверхностного кипения (2), эмульсионного (3), пробкового (4) и стержневого (5) режимов кипения.
Зона подогрева жидкости - здесь теплообмен только конвекцией. Кипения нет.
Область поверхностного кипения - пузырьки пара только начинают образовываться и имеются в наличие только вблизи стенки.
Область эмульсионного кипения - пузырьки пара равномерно распределены в жидкости.
Пробковое кипение - отдельные пузырьки слились в "пробки" пара - то есть объемы, соразмерные с диаметром трубы.
Стержневое кипение - основной объем трубы занят паром и только на стенках - тонкий слой жидкости.
Зона подсыхания - на стенках жидкости нет, но пар еще влажный. Идет увеличение степени сухости. Далее возможен перегрев пара.
б) горизонтальные и наклонные трубы.
Здесь тоже есть подогрев, затем зона кипения и зона подсушивания. Но в зоне кипения только или расслоенный или стержневой режим.
Скорости движения пара и жидкости различны.