Главная Процесс переноса теплоты



теплоты осуществляется путем теплопроведпости из окружающего пузырек перегретого слоя жидкости через межфазпую поверхность F,„ и через поверхность под пузырьком Fc в основании. Теплота, подведенная к пузырьку, идет на испарение жидкости и работу расширения.

Скорость роста пузырьков зависит от интепсивности подвода теплоты обеими составляющими теплового потока. В качестве параметра, определяющего интенсивность теплообмена при кипении, может быть использовано число Якоба. Число Якоба получается при приведении системы дифференциальных уравнений и условий однозначности, описывающих теплообмен прн кипении жидкостр, к безразмерному виду. Для указанной системы получено уравнение подобия (13-8). Последний безразмерный комплекс, входящий в правую, часть этого \ равнения, является числом Якоба:

г Рп

Число Якоба характеризует соотношение между тепловым потоком, идущим па перегрев единицы объема жидкости, и объемной теплотой парообразования. Оно зависит от давления и перегрева жидкости. С повышением давления число Якоба уменьшается, так как существенно увеличивается плотность пара. Наоборот, с понижением давления это число увеличивается. С увеличенпем перегрева жидкости число Якоба растет. В зависимости от различных условий составляются соответствующие уравнения теплового баланса па границе парового пузыря, нз которых находятся аналитические зависимости для определения радиуса пузыря в период его роста па центре парообразования. При давлениях выше атмосфер1юго (число Якобаг£;20) рост парового пузырька происходит за счет теплоты, передаваемой от поверхности нагрева к его основанию через прилегающий слои жидкости. Изменение

задиуса парового пузырька во времени онпеделяется зависимостью

Л. 99, 126]

Н-=УЩ1Уак, (13-6)

где т - время пребывания пузырьков на поверхности теплообмена; а - коэффициент температуропроводности жидкой фазы.

Второй предельный случай имеет место при низких давлениях (число Якоба Jar>20). Теплота, к паровому пузырьку передается от перегретого слоя жидкости на межфазной поверхности, и радиус парового пузырька тогда определяется соотношением

i? = 2YJal/a. (13-6")

В общем случае рост паровых пузырьков происходит как за счет теплоты, передаваемой от ттоверхности нагрева в основание пузырька, так и за счет теплоты перегретого слоя жидкости на межфазнон поверхности. Тогда изменение радиуса парового пузырька во времени выражается уравнением [Л.211]

i? = (YJa-l-(/ f Ja=-l-23Ja)l/". (13-6)

Параметры у и р зависят от геометрических факторов. Для краевых углов смачивания е=40-:-90° величина у=0,1ч-0,49. Экспериментально установлено значение (3 = 6.

Зависимость (13-6) по.чучена для давления (0,1100) 10 Па (числа Ja=1000-f-0,l).



Из приведенных зависимостей следует, что FiapoBHC пузырьки увеличиваются с ростом числа Якоба. Однако при низких давлениях влияние числа Якоба существенно больще, чем при высоких. Это говорит о том, что скорость роста пузырей при низких давлениях выще, чем при высоких. С увеличением перегрева жидкости скорость роста пузырьков повыщается в обоих случаях.

Д. Отрывной диаметр пузырька

Паровой пузырек, зародившись иа стенке, растет до некоторого размера, характеризуемого диаметром do, при котором он отрывается. Размер пузыря в завершающей стадии его роста на поверхности теплообмена называется отрывным д и а м е т р о .м. В период возникновения и роста на пузырек действуют главным образом силы, удерживающие его в центре парообразования. С возрастанием размера пузырька увеличивается подъемная сила, стремящаяся оторвать пузырек от центра. Из равновесия сил можно получить аналитические выражения для отрывного диаметра пузырька. В общем случае к силам, оказывающим влияние на паровой пузырек, относят подъемные силы, силы поверхностного натяжения, инерционные силы и силы лобового сопротивления. Последние две силы относят к гидродинамическим силам, так как они возникают при движении массы жидкости, обусловленном ростом пузырька [Л. 35, 73, 186].

В статических условиях отрывной диаметр парового пузыря определяется из условий механического равновесия между подъемной силой, стремящейся оторвать паровой пузырек от поверхности, и силой поверхностного натяжения, удерживающей его на твердой поверх-Еости. На рис. 13-3 показана упрощенная схема роста. В действительности, если даже не учитывать динамического эффекта, следует иметь в виду, что по мере увеличения пузырька форма его будет все более отклоняться от первоначальной сферической. Это объясняется возрастающей ролью сил полей тяжести, стремящихся как бы вытянуть пузырек в направлении от поверхности.

В момент отрыва пузырек обычно существенно деформирован. Фритц [Л. 213а] теоретически рассчитал объемы пузырьков перед отрывом в статических условиях для разных значений краевых углов. Результаты вычислений могут быть интерполированы простой формуло!*. Если понимать под отрывным диаметром do эквивалентный диаметр уGVojn, где Vo - объем деформированного пузырька перед отрывом, то формула имеет вид:

4 = 0,02086]/"o/g(p„-p„) (13-7)

,краевой угол 6 измеряется в угловых градусах).

Как следует из (13-7), величина отрывного диаметра при кипении зависит от краевого угла смачивания 6. С увеличением краевого угла смачиваемость поверхности жидкости ухудшается, паровой пузырек при отрыве и.меет большие размеры.

Когда краевой угол 6 становится больше л/2 (жидкость не смачивает поверхность), резко увеличивается доля поверхности нагрева, экранированная основаниями растущих пузырьков. Жидкость как бы оттесняется от поверхности, и интенсивность теплоотдачи уменьшается. К жидкостям иесмачивающим относится ртуть, краевой угол смачивания для которой 6=140°. Криогенные жидкости (водород, кислород,

3D0.




азот) характеризуются очень малыми значениями 6. Следует отметить, что оВычно применяемые в энергетике теплоносители смачивают металлические поверхности.

При вынужденном движении кипяшей жидкости иа условия отрыва паровых пузырьков дополнительное влияние оказывает динамический напор потока. Вследствие гидродинамического воздействия потока на пузырек отрывной диаметр становится меньше, чем do по зависимости (13-7), и определяется толщиной пристенного слоя кипящей жидкости. Толщина слоя изменяется в зависимости от числа Re потока и интенсивности процесса парообразования. От этих факторов будет зависеть также и do. С увеличением Re толщина пристенного слоя жидкости р,. з з упрощенная уменьшается, уменьшается также значение do. схема роста парового

После отрыва паровой пузырек движется пузыря, через слой жидкости. Теплоотдача между пере- А-отрывной диаметр парс-

и J г ВОГО пузырька.

гретой жидкостью и поверхностью пузырька

отличается большой интенсивностью. Так, коэффициенты теплоотдачи от воды к пару достигают примерно 200 000 Вт/(м2-К). За счет этого пузырек при всплыванни значительно увеличивается в размерах.

Е. Зависимость теплового потока

от температурного напора (кривая кипения)

Выше были рассмотрены условия возникновения и развития паровой фазы у нагреваемой поверхности, которые одновременно определяют интенсивность теплообмена этой поверхности с кипящей жидкостью. Прн кипении происходит беспорядочная турбулизация парожид-костной смеси вблизи поверхности "нагрева растущими и периодически отрывающимися пузырьками пара. Кроме того, интенсивность теплооб мена связана с термическим сопротивлением весьма тонкой жидкостной прослойкой (пленки), остающейся вследствие смачивания непосредственно на самой поверхности нагрева под областью паровых пузырей и через которую теплота передается путем теплопроводности.

С повыП1еннгм турбулизации и уюнченнем жидкостной прослойки интенсивность теплоотдачи увеличивается. Однако эффект турбулизации является существенным лишь при незначительных перегревах, а определяющим фактором является изменение толщины жидкостной прослойки под паровыми пузырями. С увеличением перегрева жидкости увеличиваются интенсивность парообразова1:ия в каждом центре и число этих центров, толщина жидкостной прослойки уменьшается, .а интенсивность теплообмена увеличивается.

Рассмотрим характер изменения плотности теплового потока ог перегрева жидкости (кривая кипения).

При увеличении температурного напора тепловой поток проходит через максимум (рис. 13-4). Максимуму теплообмена предшествует конвективная область /, соответствующая малым перегревам жидкости, и область развитого кипения 3. Между ними находится область неустойчивого кипения 2. Она характеризуется малой плотностью центров парообразования.

Пройдя максимум, q постепенно снижается по мере вытеснения пузырькового кипения пленочным. После переходной области 4 насту-



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


0.0292