3.8. Теплообмен при кипении

3.8.1. Механизм процесса

Кипением называется процесс парообразования в толще жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения с образованием паровых пузырей. Процессы кипения имеют большое практическое применение в теплоэнергетике, химической технологии, металлургии, атомной энергетике и других областях современной техники.

В процессе кипения происходит превращение жидкости вещества в пар, (фазовый переход), что сопровождается поглощением теплоты парообразования. Следовательно, процесс кипения связан с подводом теплоты к кипящей жидкости.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает непосредственно в объеме жидкости при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении или резком сбросе давления в системе, что также приводит к значительному перегреву. В современной технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, каналов и т.п.). Этот вид кипения и будет рассмотрен далее.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий:

• наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения;

• наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости максимален у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей поверхности. Зародышами паровых пузырей являются пузырьки воздуха или газов, скопившиеся в впадинах шероховатостей поверхности нагрева. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена. Различают два основных режима кипения: пузырьковый и пленочный.

Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым. С увеличение теплового потока до некоторой величины отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности теплообмена пленки пара, обволакивающей эту поверхность и отделяющей ее от жидкости, называется пленочным режимом кипения.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении значительно ниже, чем при пузырьковом кипении.

Установлена следующая классификация видов кипения:

1. П о р е ж и м у к и п е н и я

По этому признаку различают пузырьковое и пленочное кипение.

2. П о т и п у к о н в е к ц и и

Различают кипение при свободной конвекции (кипение в большом объеме) и кипение при вынужденной конвекции (кипение при вынужденном движении жидкости в трубах, каналах).

3. П о о т н о ш е н и ю с р е д н е й т е м п е р а т у р ы

ж и д к о с т и t_ж к т е м п е р а т у р е н а с ы щ е н и я t_н

По этому признаку различают кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения (зародившийся на поверхности нагрева пузырек исчезает в результате конденсации) и кипение перегретой жидкости (последовательный процесс зарождения, отрыва и движения пузырька).

4. П о р а с п о л о ж е н и ю п о в е р х н о с т и н а г р е в а

Кипение по горизонтальной, вертикальной и наклонной поверхности нагрева.

5. П о х а р а к т е р у к и п е н и я

Различают развитое пузырьковое кипение (при большом количестве центров парообразования); неразвитое пузырьковое кипение (при малом количестве центров парообразования, в результате чего значительная доля теплоты отводится от поверхности нагрева конвекцией жидкости) и неустойчивое кипение (случайным образом сменяется режим естественной конвекции режимом кипения).