Тепломассообмен 16 Теплообмен при кипении жидкостей

Определение пузырькового и пленочного кипения Теплообмен при кипении отличается от конвекции дополнитель- ным переносом массы жидкости и теплоты пузырями из погранич- Для возникновения кипения необхо- ного слоя в объем жидкости. Для возникновения кипения необхо- дим перегрев жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования и наличие центров парообразования, которыми могут являться неровности поверхности нагрева, пузырьки воздуха, пылинки. Пузырьки пара образуются на поверхности нагрева, где Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных пузырь- ков, называется пузырьковым кипением. ков, называется пузырьковым кипением. С увеличением теплового потока отдельные пузырьки сливаются, образуя у поверхности нагрева сплошной паровой слой с периодически (пленочное кипение). отрывающимися паровыми пузырями (пленочное кипение).

Критический радиус пузырька Высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении объясняется разрушением пограничного слоя у поверхности нагрева паровыми пузырьками. Условие существования пузырька Условие существования пузырька (1) определяется уравнением Лапласа:, согласно которому давление пара р 1 внутри пузырька должно быть выше силы давления жидкости р и силы поверхностного натяжения. При паровой пузырек растет, а при он сконденсируется. Критический радиус пузырька Критический радиус пузырька можно определить по формуле:. (2)

Теплообмен при пузырьковом кипении жидкостей Если считать, что при кипении жидкости вся подведенная уравнение теплота расходуется на парообразование, то уравнение теплового баланса, Дж: теплового баланса, Дж:.(3) Здесь w к, м/с - скорость парообразования (кипения), отнесенная к свободной поверхности жидкости F, м²; - плотность пара, кг/м³; r – скрытая теплота парообразования, Дж / кг; G п - массовый расход пара, кг / с. Итак, скорость кипения: Итак, скорость кипения:.(4) Допущения: Допущения: 1) теплота воспринимается только жидкостью [для воды при р = 1 бар λ 0,68 Вт/(мК); λ 0,02 Вт/(мК)];

Описание процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей 2) размер поверхности велик по сравнению с диаметром пузырька; 3) теплоотдача автомодельна относительно ускорения свободного падения. Теплоотдачу можно описать системой уравнений, состоящей из дифференциальных уравнений энергии, движения, сплошности; уравнений движения парового пузыря и теплообмена на поверхности пузыря. Условия однозначности: Условия однозначности: температура поверхности нагрева – t c ; температура на поверхности жидкости равна температуре насыщения t н. Из системы уравнений и условий однозначности Лабунцовым получено уравнение подобия для теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости:

Уравнение подобия для теплоотдачи при пузырьковом кипении при: Re * 0,01 c=0,125, n=0,65. Здесь - коэффициент теплоотдачи [ =q/(T c -T н )], Вт/(м²К); - характерный линейный размер, м; - теплопроводность жидкости, Вт/(мК); W к - скорость кипения жидкости, м/с; - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м²/с; - массовая, изобарная теплоемкость жидкости, Дж/(кгК); ρ- плотность жидкости, кг/м³; ρ – плотность пара, кг/м³; - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; r- cкрытая теплота парообразования жидкости, Дж/(кгК). Все физические свойства брать при температуре насыщения.

Коэффициент теплоотдачи при кипении воды При получении уравнения (5) Лабунцов обобщил множество экспериментальных данных по кипению. Уравнение справедливо при Для одной жидкости коэффициент теплоотдачи при развитом кипении зависит только от плотности теплового потока q и давления насыщения р. Для воды в диапазоне давлений от 1 до 40 бар можно использовать зависимости Михеева: (6) где

Пленочное кипение Пленочное кипение имеет место Пленочное кипение имеет место при закалке металлов в жидкости, в ряде быстродействующих перегонных аппаратов, в случае жидкостного охлаждения ракетных двигателей и при производстве пара в парогенераторах. При высоких давлениях в парогенераторах коэффициенты теплоотдачи для пленочного кипения становятся значительными, поэтому даже при высоких разностях температур между стенкой и жидкостью не происходит пережога кипятильных труб [при кипении воды для: р = 1 бар - 5 кВт/(м²К); р = 8,1 бар – 50 кВт/(м²К)]. Механизм перехода к пленочному кипению: пузырьки пара при большом количестве центров парообразования сливаются вместе и образуют пленку пара на поверхности нагрева.

Допущения Тепловой поток через слой пара передается теплопровод- ностью, конвекцией и излучением, причем доля лучистого теплообмена растет с увеличением степени перегрева жидкости. Для ламинарного движения пленки пара принимаются следующие допущения: следующие допущения: 1) сплошная пленка пара у вертикальной поверхности движется ламинарно вверх под действием подъемных сил; 2) силы инерции малы по сравнению с силами вязкости и подъемными силами; 3) толщина пленки пара мала по сравнению с размерами стенки; 4) теплота передается через паровую пленку только теплопроводностью; 5) физические свойства паровой пленки постоянны; 6) температура стенки постоянна; 7) граница раздела между паром и жидкостью гладкая (без волн); 8) краевые условия на границе:

Механизм пленочного кипения жидкости Паровая пленка Жидкость при Обогреваемая стенка при Граница между паровой и жидкой фазами

Теплоотдача при ламинарном движении паровой пленки Средний коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении и ламинарном движении паровой пленки: паровой пленки: (7) характерный линейный размер где характерный линейный размер для вертикальной стенки равен ее высоте l=H для вертикальной стенки равен ее высоте l=H а константа c=0,667 при скорости на границе раздела фаз w гр =0 и с=0,943 при w ж =w п, то есть при отсутствии скольжения между фазами. Эта же формула применима для пленочного кипения на горизон- тальной трубе, если характерный линейный размер равен наружному диаметру трубы l=d наружному диаметру трубы l=d и соответственно константы - в среднем для цилиндра можно принять c=0,53 и c=0,72 или в среднем для цилиндра можно принять константус = 0,62. константу с = 0,62. В формуле (7) учитывается только теплопроводность через ламинарно текущую пленку пара.

Теплоотдача при турбулентном течении паровой пленки Для теплоотдачи при турбулентном течении паровой пленки в приближенной заложена физическая строгой теории нет, а в приближенной заложена физическая модель теплоотдачи при свободной конвекции однофазной жидкости. жидкости. Считают, что скорости и температуры в пограничном слое при кипении распределены сходно со свободной конвекцией. Поэтому по аналогии уравнение подобия (8) теплоотдачи при кипении:(8) При (Gr m,l Pr m ) определяющей является средняя температура паровой пленки t m =0,5(t c +t н ). Тогда подъемная сила при кипении будет g(ρ-ρ) сила при кипении будет g(ρ-ρ) вместо gβρΔt – при свободной конвекции. Поэтому для кипения число Грасгофа имеет вид: Константа с = 0,25 при пленочном кипении. Константа с = 0,25 при пленочном кипении (для сравнения с = 0,15 - при конвекции).

Структура потока при кипении жидкости в вертикальной трубе Области: I - подогр. II - испар. III – подсых. пара Влажный пар Стержневой режим Пробковый режим Эмульсион. режим Поверхн. кипение 1-фаз.жидк.

Режимы движения потока при кипении жидкости в вертикальной трубе Труба представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходит непрерывное увеличение объема паровой и уменьшение объема жидкой фаз. Соответственно этому изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению трубы. три основных области: При этом наблюдаются три основных области: I – недогретой до температуры насыщения жидкости; II – кипения жидкости при Арабскими цифрами III – подсыхания влажного пара. Арабскими цифрами обозначены зоны: обозначены зоны: 1 – недогретой до температуры насыщения жидкости; 2 – поверхностного кипения; 3 – эмульсионного режима; 4 – пробкового режима; 5 – стержневого режима по пару; 6 – влажного пара.

Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе Расслоенный режим Стержневой режим

Режимы движения потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе При движении кипящей жидкости в горизонтальных трубах имеет место расслоение потока по периметру трубы. Если скорость циркуляции и содержание пара в потоке двухфазный поток расслаивается невелики, двухфазный поток расслаивается на паровую фазу в верхней части трубы и жидкую – в нижней. При увеличении скорости циркуляции и паросодержания гребни волн жидкости начинают задевать верхнюю часть трубы, затем течение переходит в подобие пробкового и стержневого режима наконец – стержневого режима с несимметричным распределением жидкой и паровой фаз.

Обозначения - поперечное сечение трубы; - сечение, занятое паром; жидкостью;- объемное паросодержание; - истинные скорости пара и жидкости; - приведенные скорости пара и жидкости; - истинная скорость смеси; При скорость сколь- - скорость скольжения. При скорость сколь- жения положительна, жения положительна, имеет место в горизонтальных трубах и при при опускном движении в подъемном движении в вертикальных; при опускном движении в вертикальных трубах – скольжение отрицательное

Интерполяционная формула Лабунцова На теплоотдачу при кипении жидкости в трубах влияет также вынужденная конвекция, поэтому Лабунцов предложил интерпо- ляционную формулу для(1) Приа для Здесь: - коэффициент теплоотдачи к жидкой фазе при вынужденной конвекции жидкости; - коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости в большом объеме. Зависимость (1) справедлива для паросодержаний при этом коэффициент теплоотдачи.

Кривая кипения воды при атмосферном давлении

Характерные области кривой кипения жидкости отмечены шесть областей: На кривой кипения отмечены шесть областей: 1 – конвекция; 2 – неустойчивое кипение (переход от конвекции к пузырьковому кипению); 3 – развитое пузырьковое кипение; 4 – переход от пузырькового кипения к пленочному; 5 – устойчивое пленочное кипение (лучистый перенос мал); 6 – пленочное кипение при значительном лучистом переносе. Первый кризис кипения Первый кризис кипения связан с переходом от пузырькового кипения к пленочному. Ему соответствует максимальная плотность теплового потока. При этом происходит резкое падение теплоотдачи и рост температуры теплоотдающей поверхности. Значение критического теплового потока очень важно для правильного проектирования современных эффективных теплообменников.

Первый кризис кипения Критический коэффициент теплоотдачи: Критический коэффициент теплоотдачи:.(2) Для воды при атмосферном давлении q кр1 1, Вт/м²; Δt кр1 25 К. Наибольшее значение критического теплового потока для воды соответствует давлению насыщения р н = (0,3 - 0,4)р кр 77 бар (р кр 221 бар). Гидродинамическая трактовка кризиса кипения по С.С. Кутателадзе основана на предположении, что кризис вызывается динамической неустойчивостью двухфазного кипящего слоя, определяемой соотношением сил тяжести, поверхностного натяжения и динамического напора потока

Второй кризис кипения Второй кризис кипения Второй кризис кипения имеет место в начале обратного перехода от пленочного режима кипения к пузырьковому. На кривой кипения он соответствует минимуму q кр2. При этом паровая пленка внезапно разрушается, температура поверхности нагрева резко снижается и устанавливается разность температур Δt кр1. Тепловой поток при этом существенно меньше первого критического и для воды при атмосферном давлении составляет q кр2 3,5.10 Вт/м². В работе Зубера высказано предположение о том, что критическая скорость кипения пропорциональна скорости всплывания больших деформированных пузырей, откуда получено: (4)

Вторая критическая разность температур Соотношение (4) достаточно хорошо соответствует Второй критический экспериментальным данным. Второй критическийкоэффициент теплоотдачи: теплоотдачи:(5) но критическая разность температур также неизвестна, поэтому надо уравнение (5) разрешить относительно тогда: (6) Во всех формулах скрытую теплоту парообразования rв Дж / кг. r надо подставлять в Дж / кг.