29. Теплоотдача при кипении.

К ипение представляет собой процесс образования пара внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения. Обычно необходимая для кипения теплота поступает в жидкость от поверхности нагрева, температура которой t_c>t_н. В этом случае на поверхности нагрева идет непрерывно возобновляемое образование паровых пузырей или паровой пленки.

На рис. схематично представлена зависимость коэффициента теплоотдачи а на поверхности нагрева от температурного напора t=t_c—t_н. Участок АВ соответствует области свободного движения жидкости, при котором возникновение пузырей возможно, но происходит весьма вяло. Для воды при атмосферном давлении параметры точки В примерно равны: а = 1000 Вт/(м²К), t = 5 К. Участок ВК соответствует развитому пузырьковому режиму кипения, при котором интенсивно образующиеся пузыри разрушают вязкий подслой на стенке и обеспечивают высокие значения коэффициента теплоотдачи. Аналогичные приведенным выше параметры точки К равны: _кр=50 000 Вт/(м²К), t_кр = 25 К. В точке К интенсивность образования пара становится больше воз­можной скорости его отвода от поверхности нагрева. Происходит кризис теплоотдачи при кипении, сопровождающийся резким ухудшением теплоотдачи (величина а в точках С, С₁ и D примерно такая же, как в точке В). Если тепловой поток на поверхности нагрева при переходе через точку К не изменяется, то осуществляется скачкообразный переход по линии КС₁, при этом температурный напор возрастает до значения 10³ К и происходит разрушение поверхностей нагрева (например, труб паро­генератора в топке). Ухудшение теплоотдачи объясня­ется возникновением низкотеплопроводной паровой про­слойки между поверхностью нагрева и жидкостью, например, при 100 °С теплопроводность водяного пара при­мерно в 29 раз меньше теплопроводности воды. Участок CD соответствует пленочному режиму кипения, а линия СК — обратному переходу от пленочного режима к пузырьковому. Участку КС отвечает так называемый переходный режим, при котором на поверхности реализуются в различных местах оба режима.

С практической точки зрения важно организовать кипение в области пузырькового режима с высокими значениями а, причем так, чтобы не допустить возникнове­ния кризиса.

Теоретический анализ показывает, что пузырьки пара образуются в микроскопических углублениях на поверхности нагрева, которая чаще всего является металлической. Основными факторами, от которых зависит теплоотдача при кипении, являются критический радиус пузыря и частота отрыва пузырей от поверхности нагрева. Критический радиус R_кр определяется условиями термодинамического равновесия фаз, которые представлены, например, выражениями (4.37) — (4.39). В данном случае необходимо учесть кривизну поверхности пузыря и свя­занное с этим дополнительное давление p = 2R, где R—радиус пузыря, а о — поверхностное натяжение. Условие (4.39) поэтому примет вид р"=р'+ 2/R_кр, откуда

R_кр=2(p"—p').(15.50)

Внутри пузыря находится насыщенный пар, поэтому t" = tn{p")- Согласно условию термического равновесия фаз (4.38) должно быть t" — t', поэтому жидкость вокруг пузыря находится в перегретом состоянии, т. е. t'> >t_н(р'). Отметим, что давление р' определяется внеш­ними условиями, это — атмосферное давление, давление в парогенераторе и т. п.

Жизнеспособные пузыри возникают только в углублениях с радиусом R>R_кр. В этом случае р_пара<р", со­ответственно t_пара<t", поэтому происходит испарение и рост пузыря. Пузырь, который из-за случайной флуктуа­ции параметров начал образовываться во впадине сR<R_кр, сразу же схлопывается из-за конденсации. Понятно, что чем меньше R_кр, тем больше углублений может служить генераторами пузырей. Из выражения Я (15.50) видно, что увеличение q, способствующее перегреву и возрастанию разности р"—р', а также увеличение р', способствующее уменьшению а, приводят к уменьшению R_кp и, следовательно, к улучшению теплоотдачи. Анализ зависимости для частоты отрыва пузырей показывает, что она возрастает с уменьшением а.

В результате обработки опытных данных для воды получена следующая формула, справедливая для давлений р_н=0,1ч-20 МПа:

_q = 5,15q^0.67Р^0.18/(1-0,045р_н).(15.51)

Числовые константы в формуле (15.51) являются размерными, поэтому величины в нее необходимо подставлять только в таких единицах: р_н в МПа, q в Вт/м², коэффициент теплоотдачи _q получится в Вт/(м²К). Давление насыщения _н есть давление жидкой фазы, т. е р_н=', величина a_q соответствует кипению в большом объеме в условиях свободного движения воды.

Если одновременно с кипением происходит вынужденное движение среды, например, в трубе, то, кроме a_q,следует рассчитать обычный коэффициент теплоотдачи, который здесь обозначим a_w. При _q/_w<0,5 принимают a=aw, при _q/_w>2 принимают  = _q, если же выполняется условие 0,5<_q/_w<2, то используют формулу =a_w(4a_w+aq)/(5a_w—a_q).