Глава 21. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ ОДНОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

21.1. ДВА ОСНОВНЫХ РЕЖИМА КИПЕНИЯ

Кипением называется процесс парообразования в толще жидкости. Кипение начинается тогда, когда температура внутри жидкости оказывается выше температуры насыщения (кипения) при данном давлении. Если в жидкость погружена некоторая поверхность нагрева, температура которой выше температуры насыщения при данном давлении , то на ней возникает процесс парообразования. Величина перегрева жидкости в момент вскипания по сравнению с температурой насыщения при данном давлении над плоскостью зависит от наличия тех или иных потенциальных центров парообразования (микровпадины, микропузырьки газа, искусственные неоднородности на поверхности нагрева и т. п.). Эти эффекты имеют значение при малых плотностях теплового потока. Если вся жидкость значительно перегрета против температуры насыщения (например, в результате резкого сброса давления,) то паровые пузыри образуются по всей ее толще — жидкость вскипает во всем занимаемом ею объеме.

В зависимости от плотности теплового потока, подводимого к жидкости через поверхность нагрева, на последней возникают отдельные паровые пузыри или образуется сплошной слой пара. Первый процесс называется пузырьковым кипением, второй — пленочным.

Рис. 21.1. Зависимость теплоотдачи от теплового потока (а) и температурного напора (б) при кипении в большом объеме воды

При пузырьковом кипении жидкость непосредственно омывает поверхность нагрева, причем ее пограничный слои интенсивно разрушается (турбулизуется) возникающими паровыми пузырями. Кроме того, всплывающие пузыри увлекают из пристенного слоя в ядро потока присоединенную массу перегретой жидкости, что создает интенсивный молярный перенос теплоты от поверхности нагрева к массе кипящей жидкости. Следствием этого является высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении, возрастающая с увеличением числа действующих центров парообразования и количества образующегося пара.

При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара, с внешней стороны которого время от времени отрываются и всплывают крупные пузыри. Вследствие относительно малой теплопроводности паровогс слоя интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении существенно меньше, чем при пузырьковом.

Возникновение того или иного вида кипения определяется плотностью теплового потока у поверхности нагрева, ее физическими свойствами (в частности, смачиваемостью), физическими свойствами жидкости и гидродинамическим режимом потока в целом.

Условия перехода от одного режима (вида) кипения к другому и области их существования отчетливо выявляются при построении зависимости коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока, или разности темпера тур поверхности нагрева и насыщения: .

Рис. 21.2. (см. скан) Переход от однофазной конвекции к пленочному кипению (бензол, диаметр нагревателя )

На рис. 21.1, а показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока при кипении в условиях свободной конвекции на поверхности с большим количеством вероятных центров парообразования. Левая, круто возрастающая ветвь кривой ОА выражает закон теплоотдачи при пузырьковом кипении, нижняя ветвь БД — при пленочном.

Кривая АБ соответствует переходному режиму.

Как видно из рис. 21.1, б, при постепенном увеличении теплового потока, задаваемого независимо от процесса теплообмена в кипящей жидкости (радиоактивный распад, электрообогрев и т. п.), по достижении точки А пузырьковое кипение скачкообразно сменяется пленочным (линия АГ). Возврат к пузырьковому кипению обычно происходит при значительно меньшем тепловом потоке, чем при пленочном кипении. Этому переходу соответствует область около точки Б.

Таким образом, имеет место определенный гистерезис в тепловых и гидродинамических явлениях, связанных с переходом от одного режима кипения к другому. Приходится говорить о двух критических плотностях теплового потока: , при которой происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, и , при которой происходит разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения. В области значений плотности теплового потока, лежащих между (т. е. между точками А и Б, см. рис. 21.1, а), возможно устойчивое существование обоих режимов кипения или даже их длительное совместное сосуществование на разных частях одной и той же поверхности нагрева.

Паровая пленка обычно возникает в отдельных местах поверхности нагрева при достижении значений далее с конечной скоростью распространяется по всей поверхности нагрева. Аналогично при снижении теплового потока до значений происходят локальные разрушения пленки с последующим распространением пузырькового кипения на всю поверхность нагрева.

На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, процесс кипения имеет нестабильный характер, а интенсивность теплообмена колеблется между условиями конвекции однофазного потока и развитого пузырькового кипения (рис. 21.2). При этом возможен непосредственный переход от однофазной конвекции жидкости к режиму пленочного кипения.

Нормальный процесс перехода от пузырькового кипения к пленочному впервые был изучен экспериментально Никайямой. Процессы нестабильного кипения впервые детально были изучены в работах В. И. Субботина и Д. Н. Сорокина, С. С. Кутателадзе, Н. Н. Мамонтовой и Б. П. Авксентюка.