3.8.3. Кривая кипения

Для анализа процессов кипения широко используется кривая зависимости между плотностью теплового потока q и температурным напором Δt = t_ст – t_н (разностью температур стенки и кипения жидкости). На этой кривой обычно выделяют области различных режимов теплообмена и характерные точки, (рис. 3.16).

С увеличением температурного напора плотность теплового потока достигает максимума, затем спадает и повышается вновь (кривая ABB΄C΄ CDE).

Первая область соответствует чисто конвективному теплообмену и поверхностному испарению жидкости (ABK). Для этой области свободной конвекции коэффициент теплообмена α ~ Δt^m , где m = 0,25 для ламинарного режима и m = 0,33 - для турбулентного режима. Следовательно,

q = αΔt ~ Δt^5/4-4/3 ~ Δt^1.25-1.33 .

Рис. 3.16. Кривая кипения

С увеличением температурного напора плотность теплового потока достигает максимума, затем спадает и повышается вновь (кривая ABB΄C΄ CDE).

В точке B начинается кипение на поверхности. Если t_ж в объеме меньше t_н, то пузыри конденсируются внутри жидкости. Если t_ж = t_н, то пузыри поднимаются до поверхности жидкости.

В области 2 (BB΄) по мере увеличения плотности теплового потока или Δt число центров парообразования растет, и интенсивность теплообмена повышается, хотя еще значительное количество теплоты снимается конвекцией.

В области развитого кипения (В′С′) q ~ Δt^3-4. Точка С΄ соответствует отклонению от режима пузырькового кипения.

В точке С достигается плотность теплового потока, называемая критической, ибо дальнейшее (даже незначительное) повышение теплового потока приводит к резкому росту температуры поверхности согласно линии С → Е.

Если же регулируется температура поверхности, то ее увеличение приводит к покрытию поверхности паром, в результате чего плотность теплового потока снижается (CD). Чтобы через слой пара передавался такой же поток тепла, что и при пузырьковом кипении, необходим значительно больший перепад температур (перегрев поверхности DE).

В области устойчивого пленочного кипения тепло через паровую пленку передается испарением, конвекцией пара и излучением, причем роль последнего процесса возрастает по мере увеличения Δt. В области DE плотность теплового потока пропорциональна температуре в третьей степени (q~T³).

Для различных жидкостей, а также одной и той же жидкости при разных значениях давления величины коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока q в рассматриваемых точках В, С, D различны. Так для воды при атмосферном давлении средние значения и q приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7. Средние значения показателей интенсивности теплообмена

Точки	, ^0С	, Вт/м^2град	q, Вт/м^2
В	5	1200	610^3
С	25	55000	1,410^6
D	100	3500	0,3510^6

В технике стремятся иметь наиболее высокие интенсивности теплообмена при относительно низких температурах греющих поверхностей. Из этого следует, что подобные задачи могут быть решены при организации пузырькового режима кипения. При пленочном режиме кипения плотность тепловых потоков (соизмеримые с теми, которые имеют место при пузырьковом кипении) могут быть достигнуты за счет существенного перегрева поверхностей, что нежелательно, так как при этом резко падает механическая прочность системы.

Чтобы гарантировать устойчивую тепловую работу какого-либо охлаждаемого элемента печи или другого подобного устройства, плотности теплового потока выбирают ниже q_кр1, чтобы при эксплуатации исключить возможность перехода к пленочному режиму.

Важно подчеркнуть, что для перехода от пузырькового к пленочному режиму кипения достаточно незначительно и непродолжительно превысить . Обратный же переход более сложен. Чтобы восстановить пузырьковое кипение, необходимо снизить q до q_кр2 .

Таким образом, из анализа кривой кипения следует, что требованиям технологических задач энергетики и металлургии наилучшим образом удовлетворяет режим пузырькового кипения.