2.2. Зависимость теплового потока от температурного напора (кривая кипения)
Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока от перегрева жидкости (кривую кипения), рис. 2.
Рис. 2. Зависимость α и q от перегрева жидкости ∆t
qmax – критическая плотность теплового потока (qкр1);
qmin – предельно допустимая температура перегрева жидкости – точка Лейденфроста.
При достижении qmax возникает переходный режим кипения, характеризующийся образованием на поверхности трубки областей, непосредственно контактирующих с паром. Теплоотдача все более ухудшается и, наконец, при ∆t = ∆tкр2, когда вся поверхность трубки обволакивается сплошной пленкой пара, становится qmin.
Эту величину qкр2 называют второй критической плотностью теплового потока. А коэффициент теплоотдачи α в пленочном режиме кипения (наступающем при ∆t > ∆tкр2), остается const, либо слабо уменьшается с ростом ∆t. В первом приближении для этого режима можно полагать q ~ ∆t.
При увеличении температурного напора тепловой поток проходит через максимум qmax. Максимуму теплообмена предшествует конвективная область 1, соответствующая малым перегревам жидкости, и область развитого кипения 3. Между ними находится область неустойчивого кипения 2. Она характеризуется малой плотностью центров парообразования.
Пройдя максимум qmax, q постепенно снижается по мере вытеснения пузырькового кипения пленочным. Пленка создает дополнительное термическое сопротивление, поэтому q падает, несмотря на увеличение ∆t.
После переходной области 4 наступает режим устойчивого пленочного кипения. В этом режиме на участке 5 лучистый перенос тепла относительно невелик, а на участке 6 он приобретает существенное значение.
Величина коэффициента теплоотдачи α увеличивается при увеличении температурного напора ∆t в области пузырькового и пленочного режимов. Однако в последнем случае увеличение α существенно меньше, чем увеличение q. Для области развитого пузырькового кипения имеют место соотношения:
;
,
где m1 ~ 0,7; m2 ~ 3. Коэффициенты с1 и с2 зависят от рода жидкости и являются взаимосвязанными:
.
Приведенная кривая кипения не охватывает всех возможных режимов кипения. Так, при тщательной предварительной дегазации системы, а также при кипении в условиях пониженных давлений может иметь место затягивание режима конвекции до высоких перегревов жидкости (линия АБ). Верхняя граница этих перегревов определяется спонтанным образованием паровых зародышей в объеме жидкости.
При кипении несмачиваемых жидкостей (интервал 0 ÷ 90 °С) пленочный режим может начаться при малых нагревах (линия ВГ).
3. Схема установки
1. Платиновая нить.
2. Герметичный сосуд.
3. Конденсатор.
4. Резиновые шланги.
5. Измеритель температуры
«ОВЕН».
6. Цифровой вольтметр.
7. Переключатель.
8. Образцовое сопротивление.
9. Трансформатор.
10. Регулятор напряжения.