ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ИЗЛУЧЕНИЕ Основы теории из "Основы теории теплопередачи " Плотности тепловых потоков, проходящих сквозь поверхность нагрева, при кипении настолько велики, что, как правило, непосредственно не лимитируют теплоэнергетика при конструировании и эксплуатации паровых котлов. Однако в ряде специальных случаев интенсивность теплоотдачи при кипении может стать существенным фактором организации рабочего процесса. Эго относится, например, к котлам, предназначенным для получения водяного пара сверхвысоких параметров, к ртутным котлам, к охлаждаемым высокофорсированным камерам сгорания, к некоторым типа.м атомных реакторов. Несравненно более повседневное значение вопросы теплоотдачи при кипении имеют во многих технологических производствах (выпарные аппараты, дистилляционные и ректификационные колонки и т. п.). [c.160] Процесс кипения состоит из одновременных и многочисленных актов испарения, развивающихся внутри жидкости. Испарением называется перенос вещества из жидкости в пар сквозь разделяющую их поверхность. Этот перенос происходит в результате некомпенсированного вылета молекул в пространство, занятое паром. Чтобы определить условия испарения, следует предварительно вспомнить условия термодинамического равновесия между жидкостью и ее насыщенным паром прп отсутствии посторонних газов. [c.160] При весьма малых радиусах пузырька эта последняя разность давлений становится достаточно существенной. [c.161] Если даже отвлечься от гидростатического давления столба жидкости над паровым пузырьком, то надо будет признать, что давление в жидкости р не может быть меньше, чем над ее плоской свободной поверхностью. Следовательно, если давление и температура жидкости связаны между собою так, как это вытекает из таблиц насыщенного пара, то пузырьки чистого пара возникнуть не могут, а если бы они и возникли, то тотчас же оказались бы расплющенными из-за действия поверхностного натяжения и облегченных условий выхода молекул в полость пузырьков. Кстати, по аналогичной причине в чистом паре при табличных условиях насыщения исключена возможность образования капель, внесенные же со стороны капли неустойчивы и неминуемо должны испариться. Существует одна единственная возможность сосуществования пузырьков пара с жидкостью в условиях изотермичности, а именно если в пузырьках имеется примесь инертного газа. Парциальное давление этого газа, добавленное к парциальному давлению пара, насыщающего полость пузырька, может оказаться достаточным для уравновешивания дефекта давления (р —р ) по сравнению с давление рд. (С учетом гидростатического давления парциальное давление инертного газа должно быть еще больше). [c.161] Сосуществование с жидкостью чисто паровых пузырьков возможно не иначе, как при наличии перегрева жидкости. Если при некотором местном давлении в жидкости ее температура превышает табличное значение температуры насыщения, то насыщающий полость пузырька пар будет иметь давление большее, чем над плоской поверхностью. Это создает основу для установления равновесного диаметра пузырька, способного находиться в стабильном состоянии при фиксированном перегреве жидкости. Однако должно быть ясно, что зарождение паровых пузырьков за счет одного только перегрева жидкости теоретически невозможно при исчезающе малых диаметрах пузырька давление в нем, уравновешивающее поверхностное натяжение, должно было бы стремиться к бесконечности, давление же насьпценного пара неограниченно большим стать не может. Известны опыты, в которых вода при атмосферном давлении доводилась до 180°С и выше, тем не менее образования пузырьков и, следовательно, вскипания жидкости не наблюдалось. Эго, например, было показано в случае, когда дегазированная и очищенная в других отношениях порция воды находилась во взвешенном состоянии в масле, через посредство которого и подвергалась нагреванию. Таким образом, перегрев жидкости способен обеспечить существование пузырьков пара, уже достигших по тем или иным причинам сравнительно большого диаметра, но одного этого перегрева недостаточно для зарождения пузырьков и обеспечения их роста до указанного равновесного значения диаметра. Начальная стадия развития возможна только при наличии в жидкости центров парообразования, каковыми служат взвешенные частицы и неровности поверхности стенок, ограничивающих жидкий объем. [c.162] Описанный режим кипения называется пузырьковым и имеет наибольшее распространение в практических случаях. Однако он не является единственно возможным — при определенных условиях пузырьковый режим переходит в пленочный режим кипения. Как будет видно из дальнейшего, такое перерождение режима является крайне нежелательным в практическом отношении. [c.163] Пленочным режимом кипения называется такой, при котором жидкость в основном не соприкасается с поверхностью нагрева, а отделена от последней непрерывно восстанавливающейся паровой пленкой. Такая пленка может образоваться по двум причинам. Первая причина заключается в плохой смачиваемости поверхности нагрева жидкостью. При этом образующиеся пузырьки распластываются по поверхности и получают способность оторваться от нее только по достижении значительно больших диаметров, чем отрывной диаметр пузырей на хорошо смачиваемой поверхности (рис. [c.163] НОСТЬ нагрева оказывается занятой по преимуществу паром, а жидкость от нее оттесненной, если не говорить о контактировании с поверхностью тонких и крайне неустойчивых жидких пленок между смежными пузырями. При этом достаточно уже слабого наброса нагрузки, чтобы режим кипения стал чисто пленочным. Такой характер имеет, например, кипение ртути, если тодько не принимаются специальные меры по амальгамированию металлической поверхности нагрева или по механическому удалению стелющегося по ней пара [Л. 42]. [c.164] Другой причиной возникновения пленочного кипения служит, соответственно, больщая тепловая нагрузка поверхности нагрева. Поскольку и при хорошей смачиваемости поверхности интенсификация теплоотдачи сопряжена с увеличением доли поверхности, одновременно занятой паром, нетрудно предвидеть наступление момента, когда жидкость окажется в основном оттесненной от горячей стенки. Прорывающаяся местами сквозь паровую пленку жидкость взрывообразно превращается в пар, и общая картина пленочного кипения восстанавливается. [c.164] Для случаев, когда поверхность нагрева находится в большом объеме в целом неподвижной жидкости (условия естественной конвекции), обстоятельства перехода пузырькового режима кипения в пленочный изучены достаточно хорошо, в частности, благодаря трудам советских исследовательских институтов (ВТИ, ЭНИН, ЦКТИ). [c.164] На рис. 6-6 приведена типичная зависимость коэффициента теплоотдачи а от тепловой нагрузки д при кипении воды под атмосферным давлением. По условиям эксперимента варьировалась по произволу величина д (путем электронагрева), температура же поверхности нагрева, подобно коэффициенту а, была величиной зависимой. Температурный напор, необходимый для вычисления а, определялся, как и всегда в аналогичных случаях, по разности температуры поверхности нагрева и температуры насыщения, отвечающей принятому давлению. Восходящая ветвь кривой относится к пузырьковому кипению. [c.164] Из рис. 6-6 следует, что при увеличении д рост а на некотором участке замедляется, и затем наступает кризисное падение а на горизонтальную ветвь кривой. Наблюдения показывают, что это происходит из-за перерождения пузырькового режима кипения в пленочный. Соответствующая тепловая нагрузка, называемая критической, зависит в основном от физических свойств лсидкости. В данном случае она примерно равна 750000 ккал/м час. Однако кризис кипения может быть искусственно затянут, и при том же атмосферном давлении воды можно получить к])итическую нагрузку выше 10 ккал/м - час. [c.165] ОА — пузырьковый режим БД — пленочный режим АБ — оба режима сосуществуют. [c.165] НИИ с поверхности малой кривизны (по-видимому, и.менно так происходит испарение при пленочном кипении) выше, чем при испарении внутрь мелких пузырьков. Как бы то ни было, пленочный режим кипения очень опасен в эксплуатационных условиях. [c.166] Чтобы закончить рассмотрение рис. 6-6 отметим, что пленочный режим при сбросе нагрузки оказывается очень устойчивым и переходит обратно в пузырьковый при нагрузке, равной в среднем 17% от критической нагрузки прямого перехода. Ввиду такого гистере-зисного явления приходится отличать первую критическую тепловую нагрузку (прямого перехода) в точке А от второй критической нагрузки (обратного перехода) в точке Б. Линия АБ изображает переходную область, в которой возможно одновременное существование на поверхности нагрева участков с пузырьковым и с пленочным кипением [Л. 1, 20, 37]. [c.166] В зависимости от состояния поверхности коэффициент пропорциональности может изменяться на 20%. [c.167] Следует подчеркнуть, что при пленочном кипении действуют шые соотношения. На рис. [c.167] Для металлических жидкостей, смачивающих поверхность нагрева (натрий, сплав натрий — калий, магниевая амальгама ртути), и при тепловых нагрузках, меньших критической, обнаруживается обычная зависимость а от 7, а именно а = Aq , где п Я5= 0,7. Для жидкостей, не смачивающих поверхность (ртуть, кадмий) и, следовательно, обусловливающих пленочный режим кипения, коэффициент теплоотдачи а уменьшается или, по крайней мере, не растет при увеличении д. Кроме того, как уже было сказано, порядок величии а оказывается существенно меньшим, чем при пузырьковом кипении [Л. 28, 38]. [c.167] Возвращаясь к случаю кипения воды, нужно отметить, что с ростом давления растет не только коэффициент теплоотдачи, но и первая критическая нагрузка, однако только до 60—80 атмосфер, когда она достигает примерно 3,5 10 ккал/м час, после чего критическая нагрузка падает (рис. 6-9). При критическом давлении нагрузка, естественно, равна нулю [Л. 22]. [c.167] По поводу возможного влияния скорости циркуляции на развитие пузырькового кипения нужно заметить следующее. Опыты, проведенные в большом объеме жидкости при перемешивании ее мешалкой, а также в испарительных трубках, показали, что влияние скорости вынужденного движения проявляется тем слабее, чем выше тепловая нагрузка поверхности нагрева. [c.168] Вернуться к основной статье