Главная Процесс переноса теплоты



Зависимости (13-1) и (13-2) позволяют выразить критический радиус пузырька:

Эта зависимость аналогична зависимости (12-39), приведенной выше для критического радиуса капли.

Соотношение (13-3) определяет критический радиус сферического пузырька, находящегося внутри (в объеме) перегретой жидкости вдали от поверхности нагрева.

Слои жидкости, которые непосредственно соприкасаются с поверхностью нагрева, имеют температуру 7"ж, равную температуре стенки Тс-Поэтому если в формуле (13-3) положить 7ж=7"с, то

<13-4)

В такой форме записи величина Rk характеризует радиус кривизны внешней поверхности пузырьков, зарождающихся на поверхности теплообмена. Одновременно величина Rk определяет порядок размеров тех элементов шероховатости, которые при данных условиях (давлении, перегреве и т. д.) могут служить центрами парообразования.

С увеличением перегрева жидкости при заданном давлении величина Rk уменьшается. Минимальный радиус Кк уменьшается и с увеличением давления при заданном перегреве, так как с увеличением давления растет производная р, а поверхностное натяжение уменьшается.

Увеличение перегрева жидкости и давления приводит к уменьшению Rk, а следовательно, к увеличению общего числа действующих центров парообразования, интенсивному перемешиванию жидкости в пограничном слое и увеличению теплоотдачи.

В том случае, когда жидкость смачивает стеику, кипение жидкости происходит практически без перегрева относительно температуры насыщения. Таким образом, к факторам, влияющим на образование пузырька радиусом Rk, относятся: Д/, р и характер физико-химического взаимодействия пара и жидкости с твердой стенкой.

В. Минимальная работа образования пузырьков критического размера

Анализ работы, потребной иа образование паровых пузырьков критического радиуса, позволяет установить, какие неровности поверхности теплообмена (бугорки или впадины) являются наиболее вероятными центрами парообразования.

Работа, затрачиваемая иа образование парового пузырька радиусом i?K, зависит от того, образуется ли паровой пузырек в объеме жидкости вдали от поверхности теплообмена или непосредственно иа этой поверхности. Кроме того, работа образования пузырька будет меняться в зависимости от формы центров парообразования, В качестве центров могут быть неровности в виде впадин шероховатой поверхности, а также различные трещины, канавки и др. К наиболее благоприятным условиям образования пузырька относятся условия, при которых затрачиваемая работа будет минимальной.



Работа, затрачиваемая на образование пузырька в объеме жидкости (Л. 104], выражается зависимостью

L=~ApV+GF.

где V и F - объем и поверхность пузырьков.

Величина oF есть работа образования межфазной поверхности F.

Чем меньше работа L, тем больше вероятность вскипания, так как вероятность пропорциональна ехр(-LlkTu), где fe = l,38-10-2 Дж/К - постоянная Больцмана.

Объем и поверхность пузырька составляют --ti?E и 4i[R\. Поэтому

выражение для L можно, учитывая формулы (13-1) - (13-3), записать так:

, 4 „2 16 TtoS /Ги \2

i ,=-j .

Отсюда видно, что чем больше перегрев жидкости At=T-7"н (и больше Ар или меньше Rk), тем меньше величина работы L. Итак, вероятность начала вскипания перегретой жидкости в объеме увеличивается по мере увеличения перегрева.

Физические условия появления пузырьков иа теплоотдающей поверхности во многом сходны с рассмотренной картиной объемного вскипания. Главное отличие состоит в том, что паровой пузырек кроме межфазной поверхности будет иметь поверхность раздела твердое тело- жидкость, на которой обычно молекулярное сцепление более или менее ослаблено. Поэтому величина слагаемого в выражении для L, указывающего работу образования новых поверхностей раздела фаз, оказывается количественно меньше";. В итоге меньшей становится и вся величина минимальной работы, а соответствующая вероятность возиикновеиия пузырЬка - большей.

Молекулярное сцепление на твердой поверхности тесно связано с рассмотренным в § 12-1 явлением смачивания. На рис. 13-1 схематически по- .. , .... -казан пузырек пара критического <>>УЛШ :уШЩУ-/%в1, размера, возникающий иа плоской по-верхности нагрева при условии, что

жидкость смачивает эту поверхность P"<= З-- К определению минималь-нагрева и краевой угол при кипении ГуГа еТГ"° " "

вкшг<зх/2. р„-давление насыщения; pj ~ давление

Рядом показана форма пузырь- внутри пузырька.

ка на несмачиваемой поверхности

при 6кип>л/2. Рассмотрим случай 6кип<л;/2. Полная поверхность F пузырька состоит из части F, на которой пар соприкасается с жидкостью и основания пузырькаТ. Определим работу образования новых поверхностей раздела при появлении такого пузырька иа поверхности теплообмена. До появления пузырька поверхности F- не было, а участок Fc омывался жидкостью. Поверхностная энергия на этом участке была FcOw.n- После возникновения пузырька образовалась поверхность fjK и была затрачена работа Р»,Ош на ее создание. Кроме того, иа поверхности Fc произошло замещение жидкости паром, на что потребовалась энергия (FcOn,c-FcOm.c). Работа отрыва жидкости от поверхности




называется работой адгезии. В итоге образования новых поверхностей при появлении пузырька на плоском участке поверхности твердого тела эта работа равна:

ж0..ц,п-Ь f с (Ощс-Ож,;) •

Согласно рис. 13-1 Оп,с-Ош.с = о,„,п cos 6 (индексы «ж», «п» и «кип» далее опускаем). Поэтому предыдущее выражение принимает вид:

1 --(1 -cose)

L = ~ApV + Fo\l - -!f (1-cose)

(13-5)


Рис. 13-2. К образованию паровых пузырьков на поверхности с углублениями.

В случае, рассмотренном на рис. 13-1, отношение поверхности основания Fc к полной поверхности F пузырька можно выразить через тригонометрические функции от величины 0. Однако приведенное выражение применимо также для более общего случая, когда пузырек образуется не на плоском участке (как на рис. 13-1). а в углублении или иа выступе элемента пгероховатости произвольной формы [Л. 135. 136] (рис. 13-2). Тогда отношение FriF характеризует ту долю поверхности пузырька, па которой пар соприкасается с поверхностью нагрева. Отношение зависит от формы элемента шероховатости. При этом работа образования граничных поверхностей будет тем меньше, чем больше отношение FJF и чем больше величина краевого угла 0. Следовательно, наиболее вероятными местами возникновения пузырьков на тепло-отдающей поверхности будут элементы шероховатости в виде углублений, впадин и именно те из них, в которых местные условия смачивания по каким-либо причинам ухудшены. Локальное ухудшение смачивания (увеличение 6) может вызываться неодиоро.дностью материала поверхности, инородными включениями, различными загрязнениями и, в част-иостп, трудноудаляемыми адсорбционными пленками масел и жиров, механическими напряжениями и т. п. Снижение давления при прочих равных условиях приводит к умепьшетцо абсолютной величины первого слагаемого правой части зависимости (13-5), т. е. к увеличению работы на образование парового пузырька. Вследствие этого при уменьшении давления начало процесса парообразования сдвигается в область более высоких перегревов жидкости.

Соопюшепия (13-1) и (13-5) позволяют найти связь между краевым углом и формой впадин.

Г. Скорость роста пузырьков

Одной из основных характеристик механизма теплообмена при ки-пеиип жи.дкости является скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева.

После зарождения пузырьков на центрах радиусов RRk происходит рост паровых Пузырьков за счет подвода к ним теплоты. Подвод



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 [98] 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.0131