место дополнительный перенос массы вещества и тепла паровыми пузырями из пограничного слоя в объем жид кости. Для возникновения процесса кипения жидкость должна быть перегрета относительно температуры насыще ния. Наибольший перегрев жидкости наблюдается непосред ственно у обогреваемой поверхности. Исследования пока зывают, что пузырьки пара образуются только в опреде ленных точках поверхности нагрева, называемых центра ми парообразования. Центрами парообразования могут быть неровности стенки, частицы накипи, пузырьки воз духа и др. При пузырьковом кипении основной поток теп ла от поверхности нагрева передается жидкости, так как она по сравнению с паром обладает более высокой тепло проводностью. Периодическое появление, рост и отрыв паровых пузырей вызывает интенсивную турбулизацию жид кости и разрушение пограничного слоя, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи по сравнению с геплообменом при конвекции однофазной жидкости.
Рассмотрим условия образования паровых пузырей на
поверхности |
нагрева. Для возникновения |
и существова |
ния парового |
пузыря необходимо, чтобы давление в нем |
р { было |
больше суммы действующих на |
пузырек сил. |
При образовании пузырька на него действуют силы дав
ления |
жидкости р |
и поверхностного натяжения. |
В |
соответствии |
с уравнением Лапласа для пузырька |
сферической формы условие равновесия этих сил выражает ся формулой
|
|
&Р = P i ' Р = о " ' |
|
|
|
к |
где |
R |
- |
минимальный (критический) радиус паро |
|
(о |
|
вого пузырька в момент зарождения; |
|
- |
коэффициент поверхностного натяжения; |
При А р |
— |
|
пузырек |
Судет |
существовать и расти, |
гогда как при |
R к. |
А р |
26 |
он |
сконденсируется. Та- |
|
|
|
ким образом, |
критический радиус |
пузырька сферической |
формы определяется |
зависимостью |
|
|
о |
|
|
2 6 |
|
|
|
|
^ к |
Ар |
|
' |
(8 .1 ) |
Образование пузырьков происходит в жидкости, пере гретой относительно температуры насыщения на некоторую
величину |
At |
- Тж - Ts . |
Температура пара в пузырьке |
Тп должна быть равна температуре окружающих слоев |
жидкости |
Тж |
, поэтому |
температуру жидкости |
j - Тп |
приближенно (без |
учета влияния кривизны пу |
зыря на давление насыщения) можно найти как температуру
насыщения при давлении пара внутри |
пузырька |
/о = р+Ар. |
Таким образом, связь между |
А р |
|
и |
перегревом |
жид |
кости |
At |
|
определяется |
выражением |
А р = р'At |
, |
которое с учетом зависимости давления от кривизны по |
верхности |
раздела |
фаз запишется |
в виде |
|
|
|
|
|
|
Ар |
= p'At |
|
, |
|
(8 .2) |
|
|
|
др\ |
|
J |
П |
|
|
|
|
где р |
< |
/ |
- производная |
от |
давления |
по темпе |
= ( |
~gt~)s |
ратуре |
на |
линии насыщения. |
|
|
|
|
|
|
5соответствии с законом Клапейрона-Клазнуса
/Л
|
Г ~ 5 |
|
(8 .3) |
|
0 ° * “Л > |
С учетом |
зависимостей |
(8 .2 ) и |
(8 .3 ) формула (8 .1 ) за |
пишется |
как |
|
|
|
|
Т„ |
. |
|
%f >n |
(вл) |
|
Тп) |
Зависимость (8 .4) определяет критический |
радиус |
|
сферического пузырька, находящегося в объеме перегре |
|
той жидкости. Если радиус |
пузырька будет |
меньше |
|
R |
, |
он будет |
конденсироваться: |
при |
R |
> |
R K пузырек |
бу |
|
дет расти. Наиболее вероятными местами возникновения |
|
пузырьков на теплоотданцей поверхности являются эле |
|
менты шероховатости в виде углублений и впадин |
|
|
|
(рис. 8 .1 ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Слои жидкости, соприкасающи |
|
|
|
|
еся с поверхностью нагрева, име |
|
|
|
|
ют температуру |
Тж |
- |
т^., поэто |
|
|
|
|
му формула (8 .4 ) для |
этого |
слу |
|
|
|
|
|
чая |
будет |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.8 .1 . Образование |
п |
|
S(oJs |
|
|
|
|
паровых пузырьков |
на |
К к - 4— п ~/т-----‘ |
|
|
(8 .5) |
|
поверхности нагрева |
|
|
ZJ°n (/ст~ /3) |
|
|
Формула |
(8 .5) определяет радиус |
кривизны внешней |
|
поверхности пузырьков, которые зарождаются на поверх |
|
ности нагрева, и характеризует |
порядок размеров |
элемен |
тов шероховатости, |
которые |
в данных условиях могут слу |
жить центрами парообразования. Как видно из формулы |
|
(8.5\ с увеличением |
перегрева |
жидкости RH уменьшается. |
Минимальный радиус |
пузырей |
R к уменьшается |
также |
с |
|
увеличение'!! давления, так |
как при этом увеличивается |
|
производная |
р ' |
(ее |
влияние |
видно |
из |
формул |
(8.1) |
|
и (8 .2) ),а |
поверхностное натяжение |
уменьшается. |
Таким |
|
образом, |
при увеличении давления и перегрева жидкости |
|
в связи |
с уменьшением |
R |
число |
действующих центров |
|
парообразования растет, что приводит к более интенсив ному перемешиванию жидкости в пограничном слое и уве-
личению коэффициента теплоотдачи.
Зародившись, пузырьки пара быстро растут и, достиг нув некоторого определенного диаметра, отрываются от поверхности. Их размер в момент отрыва определяется взаимодействием силы тяжести, поверхностного натяже ния и конвекции окружающей жидкости. Образование пу зырьков и их отрыв от поверхности сильно зависят так же от степени смачиваемости поверхности жидкостью. Смачивающая способность жидкости характеризуется кра
евым углом |
О |
|
, который образуется |
между стенкой и |
свободной поверхностью жидкости (рис. |
8 .2 ). Чем боль |
ше угол |
О |
$ |
, |
тем хуже смачивающая |
способность жид |
кости. |
При |
< |
90° жидкость смачивает поверхность, |
|
|
У7>77//////> > 7 |
CY* |
|
|
|
/77?>гЛ)7777 |
|
|
Рис. 8 .2 . К определению угла смачивания Q |
при в |
> |
90° - не смачивает. Для |
воды в |
= 50°, для |
ртути |
в |
= 137°. |
|
пузырек |
деформиро |
В момент отрыва от поверхности |
ван. Объем пузырька перед отрывом в статических услови
ях для различных значений |
краевых углов в |
теоретичес |
ки был рассчитан Фритцем. |
Результаты зтих расчетов мо |
гут |
быть интерполированы |
простой формулой |
|
|
|
|
|
dn = 0,08080 i |
d |
м. |
(8. 6) |
|
|
|
|
|
Q |
|
У°п) |
|
где |
- |
краевой угол, град. Здесь под отрывным |
Диаметром понимается эквивалентный диаметр, |
равный |
c/Q = |
SIg y |
’ |
у |
- объем деформированного |
| / |
> где |
пузырька перед отрывом от поверхности.
Как видно из формулы (8 .6 ), величина отрывного диа метра пузыря при кипении зависит от краевого угла сма
чиваемости |
О , |
С увеличением угла |
в смачива |
емость поверхности |
жидкостью ухудшается, |
и паровой |
пузырек при отрыве будет иметь большие размеры. При в ь . 90° жидкость не смачивает поверхность нагрева,
основания растущих пузырьков оттесняют жидкость от по верхности, и интенсивность теплоотдачи существенно уменьшается.
При вынужденном движении кипящей жидкости вследст вие гидродинамического воздействия потока отрывной диаметр будет меньше, чем рассчитанный по формуле (8. б ). Он будет определяться толщиной пристенного слоя кипящей жидкости, которая зависит от числа fie и интенсивности процесса парообразования. При увеличе
нии числа |
fie |
отрывной диаметр пузырька будет |
уменьшаться. |
|
|
Скорость роста пузырьков до момента отрыва от по |
верхности |
определяется |
интенсивностью испарения жид |
кости с |
поверхности в |
объем пузыря. Изменение радиуса |
пузыря |
при этом |
может быть рассчитано по формуле |
|
|
|
|
(8 .7) |
где |
'?■ |
- |
время |
нахождения пузыря на поверхно |
сти нагрева. |
|
|
Из формулы (8 .7) видно, что с увеличением темпера турного напора скорость роста пузыря увеличивается, а при увеличении давления - уменьшается. После отрыва от поверхности, двигаясь через слой жидкости, имеющей некоторый перегрев относительно температуры насыщения, пузырек продолжает увеличиваться в своих размерах за счет испарения жидкости с его поверхности. Теплоотда ча от перегретой жидкости к пару имеет высокую интен
сивность, и коэффициент теплоотдачи от воды к пару до-
