Режимы кипения (теплоотдачи)

 

Физический механизм кипения и интенсивность теплоотдачи зави-сят от величины перегрева стенки (4). Выделяют три основных режима кипения: пузырьковый, переходный и пленочный (рис.2).

 

Пузырьковый режим

 

Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорциона-лен размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначи-тельном перегреве жидкости, «работают» лишь крупные центры паро-образования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют ра-диус меньше критического. С увеличением перегрева жидкости активи-зируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.

 

В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро уве-личивается (рис.2, область 2). Коэффициент теплоотдачи (a) достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м²К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интен-сивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пу-зырьками пара.

 

Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов кон-струкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

 

Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, ко-торые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву

 

7

DT_w жидкости и давлению p_н. В силу этого средний коэффициент теп-лоотдачи может быть рассчитан по формуле вида

 

a = С ×D Т ^n	× p ^z	(6)
1 w	н

 

или после подстановки условия (3) в виде DT_w=q/a получим

 

a = С 2× q ^m × p н ^k

(7)

 

где C₁, C₂, k, z, m, n – эмпирические постоянные; DT_w – перегрев стенки, ⁰С; р_н – давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар; q – по-верхностная плотность теплового потока, Вт/м².

 

Формулу (6) используют в расчетах пузырькового кипения при гра-ничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (4), а формулу (7) применяют в расчетах кипения при гранич-ных условиях второго рода (регулируемая (заданная) величина – плот-ность теплового потока (q) на поверхности стенки).

 

lg(q)
lg(a)	кр1	q(DT)
^qкр1		w
		aкр1

 

^qкр2				кр2	a(DT)
				^aкр2
					w
1	2		3	4	5
	D	T		^D ^Tкр2	lg(	T)
		кр1				D w

Рис. 2. Кривые теплоотдачи при кипении:

 

1 – конвективная область без кипения; 2 – область пузырькового кипения; 3 – переходная область; 4 – область пленочного кипения; 5 – участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 – соответ-ственно точки первого и второго кризисов кипения

 

8

Первый кризис кипения. Переходный режим

 

При дальнейшем увеличении перегрева (DT_w) интенсивность тепло-отдачи, достигнув максимума в критической точке «кр1», начинает снижаться (см. рис.2 область 3) из-за слияния всевозрастающего коли-чества пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения DT_w и охватывает в итоге всю стенку, превращаясь в сплошную паровую пленку, плохо проводящую теплоту. Таким обра-зом, происходит постепенный переход от пузырькового режима кипе-ния к пленочному, сопровождающийся снижением интенсивности теп-лоотдачи.

 

Начало такого перехода называют первым кризисом кипения. Под кризисом понимают коренное изменение механизма кипения и теплоот-дачи.