Теплоотдача при кипении жидкости

Теплообмен при кипении жидкостей на поверхностях нагрева твердых тел часто встречается в электронной технике.

Кипением называется процесс образования пара при нагревании жидкости, при этом возникают новые свободные поверхности раздела жидкой и паровой фазы внутри жидкости. Нагреваемая жидкость закипает, когда ее температура  становится выше температуры насыщения при данном давлении .

Рассмотрим физический процесс кипения на примере следующего классического опыта. Погружения в воду при  платиновая проволока нагревается проходящим через нее электрическим током. Зависимости плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи  от разности температур  (где  - температура проволоки) представлены на рис.

При q до увеличивается температура проволоки до некоторого значения (точка а). Дальнейшее увеличение  приводит к резкому скачку температуры от точки а в точку  (на рис. выбран масштаб неравномерный). Температура теплоохлаждающей поверхности возрастает настолько, что может наступить расплавнение проволоки. Можно выделить 4 характерные области:

А – отсутствие парообразования или слабое образование пузырей, здесь справедливы законы свободной конвекции некипящих жидкостей;

Б – пузырьковое кипение, при котором пар образуется в виде периодически заряжающихся и растущих пузырей; при этом интенсивно отводится теплота от поверхности кипения;

В – нестабильное пленочное кипение. Как на поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки сливаются между собой, образуя большие паровые полости; в определенных местах поверхности возникают «сухие» пятна, и эти участки выключаются из теплообмена. Происходит резкое снижение теплового потока, температура проволоки повышается. Область В весьма неустойчива и не представляет большого интереса для технических приложений;

Г – стабильное пленочное кипение, вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара; испарения жидкости происходит на границе жидкость-пар, вызывая увеличение толщины паровой пленки до тех пор, пока пар не отрывается от нее в виде беспорядочной массы пузырьков неправильной формы. Если (1б) окажется при температуре, превышающей температуру плавления, то проволока разрушится.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении над критической плотностью теплового потока , а соответствующий температурный напор – критическим температурным напором . Для воды в () а , . При дальнейшем повышении нагрузки коэффициент теплоотдачи падает в десятки раз и далее медленно возрастает с нагрузкой.

Приходится говорить о 2-х критических плотностях теплового потока:  - переход от пузырьков к пленке (точка а); обратный процесс  - разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения (в). В области между (а) и (в) возможно существование 2-х режимов кипения на разных частях одной и той же проволоки.

Минимальную тепловую нагрузку при пленочном режиме кипения называется второй критической плотностью теплового потока . Критическая тепловая нагрузка определяется свойствами жидкости, скоростью потока; давлением, состоянием поверхности, условиями ее смачивания и т.п.

При развитом кипении связь коэффициента теплоотдачи с плотностью теплового потока может быть представлена в виде степенной зависимости:

 - коэффициент пропорциональности, который зависит от рода жидкости, давления Р и от поверхностных условий.

В частности, для воды эта зависимость примет вид

 (1)

где р – давление насыщенных паров воды, Па (Паскаль)

При развитом пузырьковом кипении соотношении (1) справедливо в условиях как свободного, так и вынужденного движения жидкости. Интенсивность теплоотдачи при развитом кипении практически не зависит от сил тяжести.

На практике часто необходимо определение первой критической плотности теплового потока  - т.е. определение максимальной плотности q при пузырьковом кипении.

При кипении жидкости на горизонтальных трубах и плитах в условиях свободного движения в большом объеме  можно определить по формуле

где  плотности жидкости и пара при температуре насыщения, ;

 – поверхностное натяжение, ;

r – теплота преобразования жидкости, ;

g – ускорение свободного падения (9,81 .

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов. При этом описанные выше процессы остаются в силе. Формулы для определения коэффициента теплоотдачи можно найти в следующей литературе:

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М. – 1973.

2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. – М. – 1975.

 

Лекция 13

Тепловые трубы (ТТ)

Для охлаждения электротехнических устройств с целью повышения эфектривности их эксплуатации применяются следующие системы охлаждения:

1) воздушные;

2) жидкостные;

3) испарительные;

4) кондуктивные;

5) радиационные;

6) специальные и комбинированные (см.Дульнев Г.Н. «Тепло- и массообмен в РЭА. – М: Высш.шк., 1984).

К специальным системам охлаждения относят термоэлектрические устройства, вихревые и тепловые трубы и т.д. Тепловые трубы вообще могут использоваться для передачи энергии от одного приемника тепла к другому, расположенному на некотором расстоянии от первого.

Итак, тепловая труба – это устройство, предназначенное для переноса теплового потока с одного конца трубы в другой за счет использования скрытой теплоты фазового превращения теплоносителя, помещенного внутри герметичной ТТ.

На рис. схематическое изображение ТТ в форме круглого полого цилиндра с большим отношением длины L к диаметру d. Внутренняя поверхность трубы выложена капиллярно-пористой структурой (фитиль). Фитиль насыщен смачивающей жидкостью и граничит с паровым объемом г центральной части трубки. Капиллярно-пористая структура (фитиль) может представлять собой металлическую сетку, металловолокно, стеклоткань и т.д. Смачивающая жидкость является теплоносителем и в зависимости от уровня температуры в зоне источника а выбираются: жидкие металлы, ртуть, аммиак, вода, ацетон, спирт, фреон и т.п.

При подводе теплового потока  к испарительной зоне а теплоноситель в этой части начинает испаряться и пары, пройдя транспортную зону б, поступают в противоположный конец трубы в  - в конденсационную зону, где отводится теплота. Здесь пар конденсируется, и жидкость под действием капиллярных сил снова поступает по фитилю в зону испарения. При конденсации пара выделяется поток , который отводится в теплообменник. Между зонами испарения и конденсации возникают наибольшие температурные градиенты, а боковая поверхность в транспортной зоне б практически не меняет температуру, поэтому можно считать, что через зону б переносился весь поток, те есть .

Для охлаждения применяются также термосифоны, в которых в отличие от тепловых труб возврат конденсата происходит под действием сил гравитации. Необходимым условием работы термосифонов является наличие гравитационных сил и расположение зоны конденсации «в» над испарительной камерой.

В 60-70 гг. основной областью применения ТТ являлась ядерная энергетика и космическая техника. В последние годы одним из объектов использования ТТ становится радиоэлектроника. Физические процессы и особенности конденсирующий ТТ придают им ряд особых качеств:

1) В ТТ возможно транспортировать тепловые потоки высоких плотностей, а также разветвлять тепловой поток по нескольким каналам;

2) Низкое тепловое сопротивление транспортной зоны приводит к большой эффективной теплопроводности ТТ, которая в несколько раз превышает теплопроводность меди и серебра;

3) Тепловая труба способна работать в любом положении вне зависимости от ориентации в пространстве и гравитации (поэтому широко применяется в космических объектах);

4) При циркуляции теплоносителя внутри ТТ отсутствуют движущиеся детали, насос, а само устройство автономно.

Подробное описание ТТ и методов их расчета можно найти в специальной литературе (см. Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования РЭА. – М., 1979)

Для расчетов широко используется соотношение, которое устанавливает связь между максимально достижимой мощностью, передаваемой тепловой трубой, и ее определяющими размерами, а также рабочими параметрами:

где  - площадь фитиля;

- ускорение свободного падения;

 - теплота испарения;

 - плотность жидкости;

 - плотность пара;

 - вязкость жидкости и пара;

 - высота капиллярного поднятия жидкости в фитиле;

 - параметр фитиля;

 - длина тепловой трубы.

 

Высота капиллярного поднятия жидкости в фитиле

где - коэффициент поверхностного напряжения;

 - эффективный радиус опоры (на котором находится фитиль).

Основными  определяющими параметрами, влияющими на суммарную передаваемую мощность, являются: площадь сечения фитиля ; эффективная высота капиллярного поднятия жидкости в фитиле  и длина тепловой трубы L.