Теплообмен при пузырьковом кипении в большом объеме

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ  В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ

В переносе тепла от поверхностного нагрева  участвуют как паровая, так и жидкая фаза. Часть тепла идет на испарение жидкости в пузыри, растущие на стенке, остальное тепло отводится в окружающий объем конвективными токами перегретой жидкости, а также теплопроводностью жидкости. Средняя суммарная плотность теплового потока при кипении на поверхности q имеет три составляющие:

 где доля теплового потока, отводимая путем испарения

q_конв— доля теплового потока, отводимая путем конвекции от стенки к жидкости; q_тепл— доля теплового потока, отводимая от стенки теплопроводностью жидкости; V_отр — средний отрывной объем пузырька;       N/F — число активных центров парообразования на единице поверхности.

На рис. показана зависимость составляющих уравнения от возможногодиапазона изменения плотности теплового потока на стенке.

Процесс пузырькового кипения определяется сложным взаимодействием нестационарных процессов зарождения, роста, отрыва и всплытия паровых пузырей, теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции от стенок к жидкости, нестационарной теплопроводности в зоне центров парообразования, процессами взаимодействия большого числа пузырей при одновременном их росте, геометрией и теплофизическими свойствами поверхности, теплофизическими свойствами теплоносителя и т.д.

Ввиду исключительной сложности и недостаточной изученности  этих процессов построение расчетных зависимостей опирается главным образом на представления о физическом механизме процесса, на методы теории подобия и экспериментальные результаты.

Для описания опытных  данных при кипении в больших  объемах воды, этилового спирта, аммиака, фреонов используется уравнение полученное Д.А. Лабунцова, В.В. Ягова:

где ΔТ=T_w –T_s ; – газовая постоянная пара. Параметр B=

Пленочное кипение, кризис пленочного кипения  термодинамический и гидравлический подход

При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности сплошной паровой пленкой. Сложность процесса обусловлена рядом его принципиальных особенностей. Поверхность раздела фаз может быть непрерывной или дискретной, устойчивой или неустойчивой, причем ее изменения во времени и пространстве носят случайный характер. Форма поверхности зависит от многих параметров, что создает значительные трудности при математическом описании пленочного кипения. Процессы движения и теплообмена могут иметь нестационарный характер, причем возможно существование метастабильных состояний двухфазной системы (перегретая жидкость, переохлаждений пар). Движение паровой пленки и жидкости может быть не только ламинарным, но и турбулентным, причем весьма сложной является проблема математического описания механизма турбулентности при взаимодействии фаз на границе их раздела.

При постоянном температурном напоре увеличение недогрева  приводит к уменьшению толщины паровой пленки и к снижению интенсивности колебаний границы раздела фаз. Это связано с тем, что с ростом недогрева увеличивается тепловой поток, идущий через паровую пленку к жидкости. Поэтому увеличивается градиент температуры в паровой пленке и q_ж, уменьшается ее толщина. Снижение интенсивности колебаний границы раздела фаз связано с тем, что с ростом недогрева происходит более интенсивная конденсация пара во впадинах волн. Следовательно, при достаточном большом недогреве поверхность раздела фаз может стать практически гладкой.

Модели кризиса  пленочного кипения основываются на двух подходах:

1. Гидравлический подход
2. Термодинамический подход

Согласно гидродинамической теории момент наступления кризиса плёночного кипения (2-го кризиса кипения) определяется нарушением устойчивости паровой пленки под воздействием масс жидкости, стремящихся прорваться к поверхности нагрева сквозь паровой слой. При этом заведомо предполагается, что контакт жидкости со стенкой термодинамически возможен. Поэтому величиной, определяющей кризис пленочного кипения в гидродинамических теориях кризиса,является скорость парообразования  q_кр2/rρ_п или просто q_кр2.

Второй  кризис (прекращение пленочного кипения) – это распад парового слоя и установлении на поверхности нагрева картины, характерной для обычного пузырькового кипения. Прекращение пленочного кипения обусловливается нарушением устойчивости сплошного парового слоя вследствие недостаточно интенсивного снабжения его паром.

В случае термодинамического характера кризиса определяющей величиной является предельная температура метастабильного перегрева жидкости T_пр которая соответствует границе термодинамически устойчивых состояний.

Для возникновения кризиса пленочного кипения необходимо выполнение по крайней мере двух условий для контактов жидкости со стенкой: гидродинамического и термодинамического.