Теплоотдача при кипении жидкости

Теплообмен при кипении жидкостей на поверхностях нагрева твердых тел часто встречается в электронной технике.

Кипением называется процесс образования пара при нагревании жидкости, при этом возникают новые свободные поверхности раздела жидкой и паровой фазы внутри жидкости. Нагреваемая жидкость закипает, когда ее температура становится выше температуры насыщения при данном давлении .

Рассмотрим физический процесс кипения на примере следующего классического опыта. Погружения в воду при платиновая проволока нагревается проходящим через нее электрическим током. Зависимости плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи от разности температур (где - температура проволоки) представлены на рис.

При q до увеличивается температура проволоки до некоторого значения (точка а). Дальнейшее увеличение приводит к резкому скачку температуры от точки а в точку (на рис. выбран масштаб неравномерный). Температура теплоохлаждающей поверхности возрастает настолько, что может наступить расплавнение проволоки. Можно выделить 4 характерные области:

А – отсутствие парообразования или слабое образование пузырей, здесь справедливы законы свободной конвекции некипящих жидкостей;

Б – пузырьковое кипение, при котором пар образуется в виде периодически заряжающихся и растущих пузырей; при этом интенсивно отводится теплота от поверхности кипения;

В – нестабильное пленочное кипение. Как на поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки сливаются между собой, образуя большие паровые полости; в определенных местах поверхности возникают «сухие» пятна, и эти участки выключаются из теплообмена. Происходит резкое снижение теплового потока, температура проволоки повышается. Область В весьма неустойчива и не представляет большого интереса для технических приложений;

Г – стабильное пленочное кипение, вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара; испарения жидкости происходит на границе жидкость-пар, вызывая увеличение толщины паровой пленки до тех пор, пока пар не отрывается от нее в виде беспорядочной массы пузырьков неправильной формы. Если (1б ) окажется при температуре, превышающей температуру плавления, то проволока разрушится.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении над критической плотностью теплового потока , а соответствующий температурный напор – критическим температурным напором . Для воды в () а , . При дальнейшем повышении нагрузки коэффициент теплоотдачи падает в десятки раз и далее медленно возрастает с нагрузкой.

Приходится говорить о 2-х критических плотностях теплового потока: - переход от пузырьков к пленке (точка а); обратный процесс - разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения (в). В области между (а) и (в) возможно существование 2-х режимов кипения на разных частях одной и той же проволоки.

Минимальную тепловую нагрузку при пленочном режиме кипения называется второй критической плотностью теплового потока . Критическая тепловая нагрузка определяется свойствами жидкости, скоростью потока; давлением, состоянием поверхности, условиями ее смачивания и т.п.

При развитом кипении связь коэффициента теплоотдачи с плотностью теплового потока может быть представлена в виде степенной зависимости:

- коэффициент пропорциональности, который зависит от рода жидкости, давления Р и от поверхностных условий .

В частности, для воды эта зависимость примет вид

(1)

где р – давление насыщенных паров воды, Па (Паскаль)

При развитом пузырьковом кипении соотношении (1) справедливо в условиях как свободного, так и вынужденного движения жидкости. Интенсивность теплоотдачи при развитом кипении практически не зависит от сил тяжести.

На практике часто необходимо определение первой критической плотности теплового потока - т.е. определение максимальной плотности q при пузырьковом кипении.

При кипении жидкости на горизонтальных трубах и плитах в условиях свободного движения в большом объеме можно определить по формуле

где плотности жидкости и пара при температуре насыщения, ;

– поверхностное натяжение, ;

r – теплота преобразования жидкости, ;

g – ускорение свободного падения (9,81 .

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов. При этом описанные выше процессы остаются в силе. Формулы для определения коэффициента теплоотдачи можно найти в следующей литературе:

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М. – 1973.

2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. – М. – 1975.

Лекция 13