Теоретические основы работы.

Существует два характерных вида кипения: кипение в большом объеме и кипение при вынужденном движении (кипение жидкости в трубах). В данной работе мы рассматриваем первый случай кипения при этом в природе существует два режима кипения: пузырьковое и пленочное.

На практике пузырьковое кипение встречается намного чаще.чем пленочное. Пузырьковый режим характеризуется высокими коэффициентами теплоотдачи и соответственно высокой способностью к отводу тепла при малой разнице температур жидкости и стенки. Однако при высоких значениях теплового потока поверхность нагрева уже не способна обеспечивать столь же эффективный отвод тепла, что ведет к отрыву поверхности парообразования от поверхности нагрева и образует между ними слой пара, который и называется паровой пленкой. Теплопроводность пара намного меньше, чем теплопроводность жидкости, потому как при низких давлениях и одинаковой температуре у этих двух фаз существенно различаются плотности. Резкий рост термического сопротивления системы ведет к резкому повышению температуры поверхности нагрева, при том же отводимом тепловом потоке.

В данной работе наблюдение за пленочным режимом кипения происходит следующим образом: медная болванка, заключенная в оболочку из нержавеющей стали помещается в печь и греется там до 450-500 С. Наличие у поверхности изначально высокой температуры, при погружении в воду, приводит к мгновенному образованию вокруг нее паровой пленки. Чтобы тепло не тратилось на подогрев воды до температуры насыщения, близ поверхности, воду, в которую погружают исследуемый образец, предварительно доводят до кипения, т.е. «догревают» до температуры насыщения.

Процесс остывания образца в кипящей жидкости характеризуется тем, что происходит при постоянной температуре охлаждающей среды, а режим пленочного кипения характеризуется постоянным значением коэффициента теплоотдачи, что является граничными условиями для регулярного режима охлаждения первого рода

В охлаждаемом теле связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке где происходит процесс теплопроводности, устанавливается уравнением теплопроводности. Для тела, в котором отсутствуют источники тепла, оно принимает вид:

                              ,                           (1)

 Решение задачи об охлаждении тел приводит к понятию темпа охлаждения:

                                              

                                    ,                             (2)

где ; - средняя температура тела в момент времени τ; - температура окружающей среды.

               Левая часть определяет относительную скорость изменения температуры, которая при регулярном режиме не зависит от координат и времени и является постоянной величиной. Можно показать, что

                                            (3)

Уравнение (3) выражает закон сохранения энергии для системы, состоящей из охлаждаемого тела и окружающей среды с постоянной температурой tc. Это первая теорема Кондратьева:

               Темп охлаждения (нагревания) однородного и изотропного тела при конечном значении коэффициента теплоотдачи пропорционален среднему по поверхности тела коэффициенту теплоотдачи α, площади поверхности тела F и обратно пропорционален его полной теплоёмкости С.

               Множитель y называется коэффициентом неравномерности распределения температуры. Смысл величины y  состоит в отношении средней температуры поверхности тела к температуре тела, усреднённой по всему объёму

                 

 

Процесс охлаждения нагретого медного образца до 450-500С в нагретой до 100 С воде происходит при плёночном кипении воды на его поверхности с постоянным и относительно не высоким коэффициентом теплоотдачи (Рис. 1 и Рис. 2). Поэтому величина y  близка к 1. При переходном режиме кипения коэффициент теплоотдачи значительно возрастает, что приводит к резкому уменьшению температуры стенки tc образца и, следовательно, к увеличению неравномерности температурного поля в образце. При этом y < 1.

          А.В. Лыковым было показано регулярный режим определяется не только определёнными температурными полями, возникающими в нагреваемом или охлаждаемом теле, но и потоками тепла через его поверхность. Поэтому при охлаждении медного образца нет необходимости различать регулярные режимы первого, второго и третьего рода. В качестве общего свойства теплового регулярного режима можно принять соотношение

,                                      (4)

где -средняя по объёму температура тела; tж -температура среды.

       Для области плёночного кипении из соотношений (3) и (4) следует, что коэффициент теплоотдачи можно найти из соотношения

         .                                  (5)

где Суд – удельная теплоёмкость металла; М – масса образца; 1.

При переходе от плёночного кипения к пузырьковому возрастает средний коэффициент теплоотдачи. Это приводит к понижению температуры поверхности образца и, следовательно, коэффициента неравномерности распределения температуры в образце.

            Для переходной области из соотношений (3) и (4) следует

 

         .                      (6)

.

Если функция  непрерывно убывает, а её производная является так же непрерывной функцией, то в точке перегиба кривой  темп охлаждения равен

      .                        (7)  

Переход от плёночного режима кипения к пузырьковому называют вторым кризисом теплоотдачи при кипении. Минимальная плотность тепловой потока при плёночном кипении называется второй критической плотностью теплового потока .Соответствующий этой величине температурный напор (точка Б на кривой кипения) называется вторым критическим температурным напором . (Рис.1).

Соотношение (7) можно использовать для определения второй критической плотности теплового потока  и второго критического температурного напора ,

на основе экспериментальных данных . Температура, соответствующая точке перегиба функции  определяет второй критический температурный напор .

                          Рис. 1.

                

                      Рис 2.