Методические рекомендации по Выполнению домашнего задания “Теплоотдача при кипении и конденсации” (стр. 2 )

Уменьшение плотности теплового потока происходит до тех пор, пока пар не покроет всю греющую поверхность непрерывной пленкой рис. 2.(в)

Рис. 2. Картина кипения при различных режимах

а – пузырьковое кипение.

б – переходный режим.

в – пленочное кипение

С этого момента имеет место пленочный режим кипения. Минимальная плотность теплового потока, соответствующая ему называется _ ___________. При атмосферном давлении для воды ~ 0,05 МВт/ м2, ~ 150°C. Теплоотдача в этом случае с увеличением возрастает (рис. 1 участка c).

При расчетах следует избегать критических тепловых нагрузок в соответствующем устройстве, т. к.. в этом случае возможны кризисные давления. Рассмотрим их.

Пусть нагреватель работает с заданной плотностью теплового потока равной.Вследствие причин случайного характера может несколько превысить. Тогда подводимого К поверхности кипения тепла будет больше чем _________ на величину, что приведет к разрыву поверхности и увеличению температурного напора кипения . Режим кипения станет переходным и отводимый тепловой поток станет еще меньше, температура стенки возрастет и т. д. Увеличение температуры с будет происходить до тех пор пока режим течения не станет пленочным (рис. 1). Процесс увеличения температуры стенки на сотни градусов происходит за доли секунды и называется первым кризисом кипения.

Второй кризис кипения связан с работой в области второй критической плотности теплового потока, т. е.. когда . В этом случае некоторое уменьшение приведет к охлаждению пластины, где происходит кипение, и уменьшению , далее в переходном режиме отводимый тепловой поток возрастает, а пластина продолжает охлаждаться до тех пор, пока режим течения не станет пузырьковым. Процесс носит кризисный характер, и температура стенки за доли секунды падает на сотни градусов.

Динамика пузырькового кипения определяется концентрацией частного отрыва паровых пузырьков. Существует оптимальный радиус, начиная с которого пузырьки начинают расти. Действительно при < давлении пара внутри пузырька, обусловленное поверхностное натяжение очень большое, плотность пара больше плотности насыщенного пара, он конденсируется и пузырек ___________. При имеет место обратный процесс. (рис. 3).

По уравнению Лапласа, избыточное давления имеет вид

(1)

При термодинамическом равновесии величина должна соответствовать перегреву жидкости у поверхности кипения, т. е..

(2)

________________________________________________________________-

По уравнению___________________________________

(3)

Рис. 3 Условия равновесия пузырька с паром. температура насыщена при данном давлении.

Подставить (3) в (2) и прировнять с (1)

(4) Таким образом минимальный радиус пузырька есть:

(5)

Минимальная энергия, необходимая для образования такого пузырька.

(5а),

где – объем пузырька, – площадь его поверхности, тогда учитывая что

,

получим

(5б)

Экспериментальное исследование кипения показало, что изменение температуры жидкости от температуры стенки до температуры насыщения происходит в очень тонкой области жидкости примыкающей к стенке. Перенос тепла через этот пристенный слой происходит вследствие теплопроводности,

т. е.

(6),

Где – толщина пристенного слоя. Учитывая, что

(7)

и приравниваем (6) и (7) получаем выражение для , т. е..

(8)

Вследствие непрерывного образования и отрыва пузырьков толщина пленки меняется со временем с характерным переходом . На характер нестационарного движения плёнки, также влияет вязкость. Согласно теории размерностей

,

(9)

Период пульсации плёнки тел меньше, чем больше приведенная скорость пара, определяемая условием:

(10)

учитывая, что получим

(11)

Из (10) следует, что приведенная скорость ровна скорости пара с расходом .

Через канал с площадью равной площади поверхности кипения. Полагая, что время пульсации связано с движением пузырька радиуса получим

(12)

Подставим (11) и (5) в (12)

(13)

Таким образом, выражаем (8) с учетом (13) и (9) имеет вид

(14)

Выражаем через т. е.. , получим

,

и окончательно

(15)

где постоянный коэффициент.

При обобщении уравнения (15) и представления его в критериальном виде необходимо определить характеристический размер, который бы определился теплофизическими свойствами жидкости. Для его определения необходимо учесть, что как показывает опыт сила тяжести практически не влияет на теплоотдачу при развитии кипения. Существенными факторами являются с динамической точки средняя частота отрыва пузырьков и количество получаемого при этом пара. Таким образом, определяющими будут следующие безразмерные комплексы:

(16)