5 (12 11 15) ddddddddddeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee

КИПЕНИЕ

1


Кипение - превращение жидкости в пар
Кипение можно создать:

нагревом поверхности
тепловыделением в объеме.

Условие начала кипения T > Ts


Кипение - процесс парообразования в толще
жидкости
Теплообмен при кипении интенсивнее, чем в однофазной жидкости.
Три причины повышенной интенсивности теплообмена:
1. сильная турбулизация
пограничного слоя за счет роста и
отрыва паровых пузырей
2. перенос тепла от поверхности при
испарении микрослоя жидкости у
основания пузыря в паровой пузырь
3. перенос скрытой теплоты
парообразования внутри пузыря.
3


Классификация процессов кипения
- по роду кипения :

пузырьковое, пленочное;

- по типу конвекции
кипение в большом объеме (кипение при свободной конвекции)
кипение в каналах (при вынужденной конвекции)
- по соотношению средней температуры жидкости (Tf) и
температуры насыщения (Ts)
жидкость недогрета до температуры насыщения
(поверхностное кипение) Т f < Т s
Т ≈ Тs
жидкость догрета до температуры насыщения f
- по характеру кипения: развитое, неразвитое, неустойчивое.
4


Кривая кипения
Зависимость плотности теплового потока q от температурного
напора (Tw - Ts) при кипении в большом объеме
Нукияма Nukiyama (1934)

5


1

2

3

4

5

1 – свободная
конвекция
жидкости;
В – начало кипения
2 – неразвитое пузырьковое
кипение;
3 - развитое пузырьковое
кипение;
С' – DNB (departure from nucleate
boiling - отклонение от пузырькового
кипения);
С – точка кризиса теплообмена;
4 – переход от пузырьк. к пленочн.;
5 – пленочное кипение;
D – точка Лейденфроста


Явление Лейденфроста


q ~ ∆T 3÷ 4

q ~ ∆T 3

\\\\\ - неустойчивое кипение.

α ~ ∆T

1 ÷1
4 3

q = α ⋅ ∆T ~ ∆T

3 ÷4
4 3

8



Зарождение парового пузыря
Зарождение парового пузырька на твердой поверхности
происходит в центрах парообразования
Работа образования парового пузыря объемом V с полной площадью
поверхности F, часть которой f опирается на твердую стенку

L = −∆p V + σ П − Ж ( F − f ) + σТв − П f − σТв − Ж f

F

σ

П−Ж

σТв − П = σТв − Ж + σ П − Ж сosθ

V

σТв− П

Условия равновесия в точке

σТв− Ж
L = −∆p V + σ

f
f
F

L

П−Ж

f


F 1 − (1 − cos θ) 
 F

10


Зарождение парового пузыря
1

2

Р1>P2
Зарождение парового пузырька на поверхности происходит в
центрах парообразования (углубления, впадины поверхности,
участки с ослабленным молекулярным сцеплением между
жидкостью и твердым телом).
При хорошей смачиваемости (краевой угол мал (θ→0)) углубления
заполняются жидкостью, что затрудняет вскипание и приводит к
большим перегревам поверхности.
11


Рост парового пузыря
Чтобы сферический пузырек существовал в жидкости, а не
схлопывался под действием сил поверхностного натяжения,

Рп > Рокр, R > Rкр
Критический (минимальный) радиус парового зародыша

2σT (v"−v ' )
ρ'
Rкр =
⋅ '
r∆T
ρ − ρ"
Перегрев жидкости
относительно температуры
насыщения для образования
парового пузырька радиуса R

Если

ρ" << ρ'

2σTs
2σRTs2
Rкр ≈
=
rρ" ∆T
rp∆T
v' << v"

2σTs 2σRпTs2
∆T ≈
=
rρ " R
rρR
12


Отрыв парового пузыря
Простейшее условие равновесия парового пузыря:
3
πd 0

6

( ρ'−ρ") ⋅ g = πd0 ⋅ σ(θ)

подъемная сила

do ~

=

σ
g (ρ'−ρ" )

Число центров парообразования

сила поверхностного натяжения
капиллярная
постоянная
используется как линейный масштаб
при анализе процесса кипения

N~(Tw-Ts)3

Паровые пузыри отрываются от поверхности периодически.
Температура поверхности в области центра парообразования
претерпевает периодические колебания.

13


Кипение в большом объеме
Факторы, влияющие на интенсивность теплообмена при кипении:
- физические свойства жидкости
- поверхностные условия








шероховатость,
ее распределение по размерам,
отложения на поверхности,
смачиваемость,
свойства материала поверхности
и т.п.

Характерные параметры
линейный размер

σ
l=
g (ρ'−ρ" )

σ Ts
или R =
кр
rρ" (Tw − Ts )

скорость парообразования

q
W "=
rρ"
14

Влияние давления

При π =

p
> 0,2 влияние давления резко увеличивается
pкр

Причина - характер изменения физических свойств жидкости (

r, σ, ρ', ρ" 15
)


Влияние шероховатости

Увеличение
шероховатости

все каверны
одного размера

нормальное
распределение
каверн по размерам

специально
подобранное

распределение
каверн по размерам

16


Влияние отложений
Отложения на поверхности нагрева при кипении изменяют
шероховатость поверхности:
возникновение новых центров парообразования

α

дополнительное термическое сопротивление этих отложений

α

Толщина и теплопроводность отложений определяется из опыта.

αo

1 α = 1 αo + R
- расчетный коэффициент теплообмена для чистых поверхностей

R - термическое сопротивление отложений
17


Расчетные соотношения
Развитое пузырьковое кипение воды на чистой поверхности в

большом объеме
Формула ЦКТИ

α = 4,34q

0, 7

(p

0,14

+ 0,0135 p

2

)

Вт/м2К

q - Вт/м2; p - МПа

α = 10,45q

0, 7

[ 3,3 − 0,0113 ⋅ (Ts − 373)]

−1

[Ts] = K

Формула Лабунцова

2
3,4 ⋅ Р
α=
⋅q 3
1 − 0,0045Р
0 ,18

18


Кризис теплообмена
АВ – свободная конвекция; ВС
– пузырьковое кипение; СD –
переходное
пленочное
кипение;
DF – устойчивое пленочное
кипение;
ВМ – затянутая свободная
конвекция
Точка С – переход
пузырькового кипения в
пленочное
Причина ухудшения теплообмена: с наступлением пленочного кипения
большая часть поверхности и в течение большего времени омывается паром.
Т.к. интенсивность теплообмена к пару значительно меньше, чем при
испарении, температура поверхности возрастает

19


КУТАТЕЛАДЗЕ САМСОН СЕМЕНОВИЧ
(18.07.1914 - 20.03.1986)


Гидродинамическая теория кризиса
теплообмена С.С.Кутателадзе
Переход пузырькового
кипения в пленочное носит
черты кризиса и в
большинстве случаев
определяется устойчивостью
паровой пленки
(гидродинамический процесс).

Первая критическая плотность теплового потока qкр1
переход от пузырькового кипения к пленочному
Вторая критическая плотность теплового потока
обратный переход

qкр2
21


Гидродинамическая теория кризиса
теплообмена С.С.Кутателадзе
qкр1, соответствующая переходу пузырькового кипения в
пленочное, определяется в основном физическими свойствами

жидкости и пара.
Возникновение пленочного режима кипения, является результатом
такого нарушения устойчивости структуры пристенного
двухфазного слоя, при котором жидкость оказывается оттесненной
образующимся паром от нагреваемой поверхности.

Такой же эффект наблюдается при барботаже газа через жидкость.

22


Гидродинамическая теория кризиса
теплообмена С.С.Кутателадзе
Стабилизирующий фактор - силы тяжести и поверхностного натяжения,
возмущающий фактор - динамический напор образующегося пара - ρ"w"2.

Динамический напор равен работе оттеснения жидкости от поверхности

ρ "W "2 ≈ g ⋅ ( ρ '− ρ ") ⋅ δ
δ

- средняя толщина паровой пленки, которая определяется
капиллярной постоянной
l = σ / g ( ρ'−ρ")

ρ "W "k р
=
g ( ρ '− ρ ")δ
2

ρ "W "k р

2

gσ ( ρ '− ρ ")

= K ≅ const
23


Гидродинамическая теория кризиса
теплообмена С.С.Кутателадзе
Скорость паровой фазы для
небольших давлений имеет
порядок
Тогда

W "к р =

qк р
r ⋅ ρ"

qк р ≅ K ⋅ r ⋅ ρ" ⋅ 4 g σ (ρ'−ρ" )

Критерий устойчивости K ≈ 0,13 ÷ 0,16.

r - удельная теплота парообразования, КДж/кг
ρ' , ρ" - плотности жидкости и пара на линии насыщения, кг/м
σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

3

24


Кризис теплообмена

25