Раздел 2. Теория теплообмена

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

Исследование теплообмена при кипении

Цель работы – экспериментальное изучение процесса теплообмена при кипении. Определение основных параметров теплоотдачи при кипении. Сравнение полученных значений с расчетными величинами.

Краткие теоретические сведения.

Познание начинается с удивления. Аристотель

Режимы кипения. Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей.

Процессы кипения находят применение в теплоэнергетике, химической тех­нологии, атомной энергетике и ряде других областей современной техники.

Кипение возможно во всем температурном интервале между тройной и критической точками для данного вещества.

Различают кипение жидкости:

- на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота;

- кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблю­дается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении. Значительный перегрев имеет место, например, при быстром сбросе давления в системе.

Перегрев жидкости имеет максимальное значение непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры паро­образования в виде отдельных неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосред­ственно на поверхности теплообмена.

Механизм теплообмена при кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости.

Различают два основных режима кипения:

• пузырьковый

• пленочный.

Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым.

С увеличением теплового потока до некоторого значения отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности тепло­обмена сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости.

Режим кипения, который характеризуется наличием на поверх­ности пленки пара, обволакивающего эту поверхность и отделяющего ее от жидкости, называется пленочным кипением.

!!! Интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении значительно меньше, чем при пузырьковом.

Интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик кипения и режимных параметров процесса.

К микрохарактеристикам кипения относятся:

• критический радиус пу­зырька,

• скорость роста,

• отрывной диаметр,

• частота отрыва, характери­зующие отдельные стадии образования пузырька.

Одной из основных характеристик механизма теплообмена при кипении жидкости является скорость роста паровых пузырей на поверх­ности нагрева. После зарождения пузырьков на центрах радиусов R ≥ R_K происходит рост паровых пузырьков за счет подвода к ним теплоты.

Подвод теплоты осуществляет­ся двумя путями:

• путем теплопроводности из окружающего пузырек перегретого слоя жид­кости через межфазную поверхность F_Ж и

• через поверхность под пузырь­ком F_c в основании. Теплота, подведенная к пузырьку, идет на испарение жидкости и работу расширения.

Скорость роста пузырьков зависит от интенсивности подвода теплоты обеими составляющими теплового потока. В качестве параметра, определяю­щего интенсивность теплообмена при кипении, может быть использовано число Якоба Ja = c_pt_ж/(r_п). Число Якоба получается при приведении системы дифферен­циальных уравнений и условий однозначности, описывающих теплообмен при кипении жидкости, к безразмерному виду.

Для указанной системы получено уравнение подобия . Последний безразмерный комплекс в правой части этого уравнения выражает число Якоба Ja = c_pt_ж/(r_п). d₀ - отрывной диаметр пузырька.

Число Якоба характеризует соотношение между тепловым потоком, идущим на перегрев единицы объема жидкости, и объемной теплотой паро­образования.

Особый интерес представляет теплообмен кипением с недогревом.

Кипением с недогревом называют кипение у поверхности теплообмена (поверхностное кипение), при котором вдали от нее жидкость недогрета до температуры насыщения.

Паровые пузырьки, возникшие при кипении жидкости в пограничном слое, попадая в холодное ядро, конденсируются. Таким образом, кипение у стенки соче­тается с конвекцией однофазной жидкости вдали от стенки и процессом кон­денсации пара на границе раздела кипящего пограничного слоя жидкости и холодного ядра.

Интенсивность парообразования на стенке зависит от перегрева жидкости. Перегрев жидкости определяет интенсивность про­цесса парообразования; в свою очередь недогрев жидкости определяет размер области, на которую распространяется возмущающее действие процесса парообразова­ния. Чем больше недогрев жидкости, тем уже область, охваченная кипе­нием.

При кипении с недогревом наблюдается интересная физическая картина. Пузырьки пара отделяются от поверхности и конденси­руются в потоке; при больших недогревах они конденсируются, не отделяясь от поверхности.

Процессы теплообмена с поверхностным кипением имеют боль­шое практическое значение, так как по­зволяют получить более высокие значе­ния тепловых потоков по сравнению с конвекцией однофазной жидкости. Они применяются при охлаждении авиацион­ных двигателей, ракет, в устройствах для непрерывной разливки стали и т. п. К недостаткам поверхностного кипения относится возможность возникновения высокочастотных пульсаций давления в рабочем канале.

К режимным параметрам кипения относятся:

• перегрев жидкости

• способ обогрева поверхности тепло­обмена,

• давление,

• недогрев жидкости

• скорость принудительной циркуля­ции жидкости w_ц.

Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока от перегрева жидкости t = Т_с — Т_ж. (кривая кипения).

При увеличении температурного напора тепловой поток проходит через максимум. Максимуму теплообмена предшествует конвективная область 1, соответствующая малым перегревам жидкости, и область разви­того кипения 3. Между ними находится область неустойчивого кипения 2. Она характеризуется малой плотностью центров парообразования.

Пройдя максимум, q постепенно снижается по мере вытеснения пузырь­кового кипения пленочным. После переходной области 4 наступает режим устойчивого пленочного кипения. В этом режиме на участке 5 лучистый перенос теплоты относительно невелик, а на участке 6 он приобретает суще­ственное значение.

Так, при тщательной дегазации системы, а также при кипении в условиях пониженных давлений может иметь место затягива­ние режима конвекции до высоких перегревов жидкости (линия А Б). Верх­няя граница этих перегревов определяет­ся спонтанным образованием паровых зародышей в объеме жидкости.

При кипении несмачивающих жид­костей (> 90°) пленочный режим мо­жет начаться при малых перегревах (линия В Г),

Влияние шероховатости и тепло-физических свойств стенки.

Интенсивность теплообмена зависит от формы, размеров, ха­рактера распределения неровностей поверх­ности теплообмена, а также от рода ее ма­териала.

Изменение шероховатости может привести к повышению коэффициента теплоотдачи в не­сколько раз, так как степенью шероховатости определяется число действующих центров па­рообразования. Одна из причин образования микрозародышей пара — адсорбция растворенного в жидкости газа во впа­динах шероховатости. Поэтому работоспособными центрами являются лишь те впадины и углубления, которые способны удерживать пар или газ. Крупные впадины легко заполняются жидкостью и выключаются из работы как активные центры парообразования.

Следовательно, существует граница шероховатости, за пределами которой дальнейшее заглубление поверхности не приводит к изменению интенсивности теплообмена.

Такой границей приближенно можно считать чистоту поверхности около 6—7-го класса (по устаревшей классификации). (Средняя глубина впадин 5—10 мкм.)

Влияние теплофизических свойств поверхности на интенсивность тепло­обмена проявляется через изменение механизма кипения. Выше отмечалось, что с увеличением коэффициента аккумуляции стенки увеличивается ско­рость роста паровых пузырьков, изменяется их отрывной диаметр, повы­шается теплоотдача. Влияние коэффициента аккумуляции на интенсивность теплообмена обычных и криогенных жидкостей различно. Так, при кипении гелия в большем объеме на медных поверхностях и на поверхностях из нер­жавеющей стали при одном и том же температурном напоре коэффициенты теплоотдачи отличаются почти в 40 раз; при кипении воды на этих по­верхностях плотности тепловых потоков различаются примерно в 5 раз.

Коэффициент аккумуляции теплоты материала оказывает влияние и на начало кипения.

Температурный напор, соответствующий началу кипения, с увеличением коэффициента аккумуляции уменьшается.

Методы количественного учета влияния теплофизических свойств и рода материала поверхности теплообмена на теплоотдачу разработаны пока недостаточно.