78) Теплообмен при кипении жидкости
Этот вил теплоотдачи отличается высокой интенсивностью и встречается в химической технологии, например, при проведении таких процессов как выпаривание, перегонка жидкостей, в испарителях холодильных установок и др.
Для возникновения кипения необходимо прежде всею, чтобы температура жидкости была выше температуры насыщении, а также необходимо наличие центров парообразовании. Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Первый вид кипения обусловлен подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью. Кипение в объеме жидкости обусловлено наличием внутренних источников теплоты или значительного перегрева жидкости, возникающего, например, при внезапном снижении давления (ниже равновесного). Наиболее важным в химической технологии видом кипения является кипение на поверхности.
Для передачи теплоты от стенки к кипящей жидкости необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения этой жидкости. На рис. 11-9 показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки от температурного напора при кипении жидкости.
В области A В перст рев жидкости мал, мало также число активных центров парообразования микровпадин на поверхности стенки, в которых образуются зародыши паровых пузырьков, и интенсивность теплообмена определяется в основном закономерностями теплоотдачи свободной конвекции около нагретой стенки. В этой области коэффициент теплоотдачи. При дальнейшем повышении увеличивается число активных центров парообразования, и коэффициент теплоотдачи резко возрастает (отрезок ВС). Эту область называют пузырчатым, или ядерным, кипением.
Высокая интенсивность теплообмена при пузырчатом режиме кипения объясняется тем, что турбулизация пограничною слоя поверхности стенки пропорциональна числу и объему паровых пузырей, образующихся в микровпадинах на поверхности нагрева. В областях, близких к центрам парообразования, часть жидкости испаряется, образуя паровые пузырьки, которые, поднимаясь и увеличиваясь в объеме, увлекают значительные массы жидкости. На место увлеченной и испарившейся жидкости поступают свежие потоки, создавая таким образом интенсивную циркуляцию жидкости у поверхности нагрева, что приводит к существенному ускорению процесса теплоотдачи. В области пузырчатого кипения коэффициент теплоотдачи достигает максимальною значения, соответствующею максимальной удельной тепловой нагрузке. При дальнейшем увеличении наблюдается резкое снижение коэффициент теплоотдачи. Оно объясняется тем, что при некотором критическом значении происходит коалесценция (слияние) образующихся близко друг от друга пузырьков. При этом у поверхности возникает паровая пленка, создающая дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи резко снижается (в десятки раз). Конечно, образующаяся пленка пара нестабильна, она непрерывно разрушается и возникает вновь, но в итоге это серьезно ухудшает теплообмен. Такой режим кипения называют пленочным. Совершенно очевидно, что пленочный режим кипения крайне нежелателен. Значения температурного напора, коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки, соответствующие переходу от пузырькового режима к пленочному, называют критическими.