41182

Внутренние характеристики процесса пузырькового кипения

Лекция

Физика

Внутренние характеристики процесса пузырькового кипения Возникающие в центрах парообразования зародыши пара могут быть жизнеспособными и нежизнеспособными. Как установлено на основе опытных данных для процессов пузырькового кипения существенной является величина которая имеет размерность скорости м с и представляет собой среднюю скорость роста паровых пузырьков Данная величина остается постоянной в широком диапазоне изменения тепловых нагрузок. Величины являются внутренними характеристиками процесса...

Русский

2013-10-23

718 KB

16 чел.

PAGE  12

Лекция 8

13.7. Внутренние характеристики процесса пузырькового кипения

Возникающие в центрах парообразования  зародыши  пара  могут быть жизнеспособными  и нежизнеспособными.

 Жизнеспособные зародыши  пара развиваются в пузырьки пара, а нежизнеспособные - погибают  и пузырьков не образуют.

Существование двух типов зародышей на теплообменной поверхности  обусловлено тем, что на  поверхности зародыша пара (т.е. на поверхности раздела фаз «пар-жидкость»  протекают два противоположно направленных процесса. А именно, процесс испарения жидкости  и процесс конденсации пара.  

Для жизнеспособных зародышей скорость испарения превышает скорость конденсации, для нежизнеспособных – наоборот.

Условием термодинамического равновесия  между жидкой и паровой фазой соответствует  нейтральный зародыш пара, для которого процессы испарения  и конденсации пара компенсируют друг друга.

 Для  нейтрального зародыша пара вводится понятие критического радиуса пузырька .

Если  > , то зародыш пара является жизнеспособным, если  < - нежизнеспособным.

Получим зависимость, определяющую критический радиус пузырька.

Рассмотрим зародыш пара на некоторой теплообменной поверхности, температура которой  равна . Теплообменная поверхность погружена в жидкость  и является обогреваемой.

                 

Учитывая, что зародыш пара имеет малые размеры, можно полагать, что его окружает жидкость с температурой равной температуре стенки  = .

В общем случае давление пара внутри парового пузыря сферической формы  может быть определено  при помощи уравнения Лапласа

,                                            (13-42)

где  - давление внутри пузырька;

      - давление жидкости, окружающей пузырек;

     - радиус пузырька;

     - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Как видно из  (13-42) давление внутри пузырька  выше давления  окружающей его жидкости  на величину  , которая  обусловлена поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение действует на пузырек подобно упругой пленке, стремящейся сжать его, так же как и находящаяся вокруг пузырька жидкость.

Используем общую формулу  (13-42) для рассматриваемого зародыша  пара, полагая, что он имеет сферическую форму.

Если пренебречь гидростатическим давлением столба жидкости над зародышем пара, то можно принять, что   зародыш  окружает жидкость  с давлением насыщения≈.

Учитывая, что далее рассматривается зародыш пара для условий термодинамического равновесия, формулу (13-42) можно переписать

                ,                                            (13-43)

здесь  - давление насыщения при температуре стенки под искривленной поверхностью раздела фаз.

Определим величину

Если воспользоваться формулой Томпсона, которая устанавливает связь между давлением насыщения над плоской и искривленной поверхностью раздела фаз, можно записать

                ,                                    (13-44)

где  - давление насыщения при температуре стенки под плоской поверхностью.

Как видно из (13-44)  давление насыщения  под искривленной поверхностью меньше чем под плоской.

Если приравнять (13-43) и (13-44) то получим

    для себя

Разности давлений  () соответствует разность температур . С учетом этого последнюю формулу  можно переписать  в виде, домножив числитель и знаменатель левой части на

=;                                         (а)

Можно далее принять, что

,                                           (б)

                         

        

где производная от давления по температуре на линии насыщения.

Подставив (б) в (а) можем получить выражение, определяющее величину

=.                              (13-45)

Производная от давления по температуре  на линии насыщения  может быть определена по формуле Клайперона-Клаузиса

          ,                                 (13-46)

где - удельная теплота парообразования;

     - температура насыщения в градусах Кельвина;

, - удельные объемы жидкости  и пара  на линии насыщения.

Принимая во внимание, что , можно в (13-46) удельные объемы жидкой и паровой фазы заменить на их плотности

                    .                                     (13-46а)

  Если подставить (13-46а) в (13-45), то окончательно получим выражение для критического радиуса парового пузыря.

=;

                                                           (13-47)

Формула (13-47)  для определения критического радиуса пузырька одновременно определяет порядок радиуса  кривизны элементов шероховатости на теплообменной поверхности, которые могут выступать  в качестве действующих центров парообразования.

Если, например,  уменьшается, то в качестве центров парообразования начинают выступать  все более мелкие неровности и шероховатости на  поверхности теплообмена.

Обозначим   - число действующих центров парообразования. Поскольку существует связь между () и (), то на этой основе можно осуществлять анализ интенсивности процесса теплообмена при пузырьковом кипении.

        турбулизация пристенного слоя жидкости усиливается  .

После своего возникновения жизнеспособный зародыш пара, находясь на теплообменной поверхности,  увеличивается  в объеме до некоторого размера, характеризующегося  диаметром  - при котором он отрывается. Итак, - отрывной диаметр пузырька.

  В статических условиях отрывной диаметр парового пузыря определяется из условия  механического равновесия  между подъемной силой, стремящейся оторвать пузырек  от поверхности, и силой поверхностного натяжения, удерживающей  его на поверхности.

На основе   теоретического анализа   и опытных данных  была получена полуэмпирическая формула для определения отрывного диаметра  .

.                                       (13-48)

Формула (13-48) называется формулой Фритца. Здесь - краевой угол, измеряемый в градусах.

Как видно  из формулы (13-48) величина отрывного диаметра зависит  от краевого угла  . С увеличением  смачиваемость  поверхности жидкостью ухудшается,  и паровой пузырек при отрыве приобретает большие размеры.

В работе отдельного центра парообразования  можно наблюдать  некоторую периодичность, что иллюстрируется следующим образом.

- промежуток времени, на протяжении которого пузырек находится на теплообменной поверхности.

- время ожидания, т.е. промежуток времени от момента отрыва предыдущего  пузырька до момента зарождения нового пузырька пара.

=    - полный период роста парового пузырька;

- частота отрыва паровых пузырьков.

Как установлено на основе опытных данных, для процессов пузырькового кипения существенной является величина (), которая  имеет размерность скорости (м/с) и представляет  собой среднюю скорость роста паровых пузырьков

Данная величина остается постоянной в широком диапазоне изменения тепловых нагрузок.

Величины ,,,- являются внутренними характеристиками процесса пузырькового кипения. Их значения зависят от множества факторов, трудно поддающихся учету.

Указанные характеристики определяются статистической природой процесса пузырькового кипения.

13.8. Влияние отдельных факторов на интенсивность  теплоотдачи  при кипении

13.8.1. Влияние температурного напора

Влияние температурного напора   на закономерности процесса пузырькового кипения удобно рассматривать, используя  опытные графики  и .

Приведенные графики называются кривыми кипения.

А – область конвективного  теплообмена;

В – область неустойчивого  пузырькового кипения;

С - область развитого  пузырькового кипения;

 D - область неустойчивого  пленочного кипения;

Е - область устойчивого  пленочного кипения.

Приведенный  график соответствует процессу кипения жидкости в большом объеме, т.е. в условиях  естественной циркуляции жидкости.

Область А.  При  малых значениях   парообразование практически отсутствует, и закономерности теплоотдачи определяются интенсивностью естественной циркуляции жидкости. При этом чем больше , тем интенсивнее циркуляции жидкости  и, соответственно, тем больше  .  Причем, поскольку увеличивается  и растет , то величина  также возрастает. Указанная область характеризуется  как область конвективного  теплообмена.

Область В.  Характеризуется  малой плотностью центров парообразования,  когда только начинает проявляться механизм пузырькового кипения. В этой зоне коэффициент теплоотдачи  более существенно зависит от , чем в зоне А.

Область С. Данная область характеризуется  весьма существенной зависимостью  коэффициента теплоотдачи от величины температурного напора . Для этой области (области развитого  пузырькового кипения)  можно использовать формулу (13-47) для критического радиуса парового пузыря. Из этой формулы вытекает, что  с ростом   ,(число центров парообразования)  турбулизация пристенного слоя усиливается .

Область D.  По мере увеличения   вследствие увеличения числа действующих центров парообразования  происходит слияние  отдельных пузырьков  пара в паровую пленку  и начинается процесс перехода от  пузырькового кипения к   пленочному.

Плотность теплового потока, при которой начинается процесс перехода от  пузырькового кипения к   пленочному называется первой критической плотностью теплового потока  .

Итак  - есть  максимальное значение плотности теплового потока на стенке,  при которой возможен процесс развитого  пузырькового кипения.

В области D  происходит постепенное вытеснение   пузырькового режима    пленочным,  вследствие чего резко падает  интенсивность теплоотдачи (  ).

 Область Е.  Здесь вся теплообменная поверхность покрыта паровой пленкой. При этом  с ростом  меняется несущественно. Его некоторое возрастание  обусловлено влиянием радиационного теплообмена.

Находясь в области устойчивого  пленочного кипения при снижении достигаем значений , при которых  начинается  процесс перехода от устойчивого  пленочного кипения к пузырьковому. Плотность теплового потока, соответствующая началу этого перехода  называется второй критической плотностью теплового потока  .

Итак,    - есть минимальное значение плотности теплового потока на стенке, при котором еще возможен процесс  устойчивого  пленочного кипения.

13.8.2 Влияние давления

Рассмотрим графическую зависимость между давлением и температурой на линии насыщения.

Из графика видно, что с ростом давления  производная возрастает. Таким образом, используя зависимость  (13-45)  приходим к выводу,  что для оценки  интенсивности теплоотдачи  в зависимости от давления, справедливы такие соображения:

 ,(число центров парообразования)  усиливается  турбулизация пристенного слоя жидкости .

Указанный теоретический вывод подтверждается опытными данными.

Из графика видно, что интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении  монотонно возрастает с повышением давления.

Что же касается околокритической точки, то здесь наблюдается резкое повышение интенсивности теплоотдачи с увеличением давления.

Плотность теплового потока , температурный напор   и давление - являются основными режимными параметрами, определяющими интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении.

13.8.3. Влияние теплофизических свойств

На процесс кипения, как и в случае обычного конвективного теплообмена без фазовых превращений, влияет величина коэффициента теплопроводности среды.

При пузырьковом кипении, когда преобладающая часть поверхности нагрева контактирует с жидкой фазой, существенной является величина коэффициента теплопроводности  жидкости ().  При пленочном кипении наряду с  проявляется также  влияние коэффициента теплопроводности паровой фазы  (). При этом, чем больше  и , тем выше интенсивность теплоотдачи при кипении.

Влияние вязкости при кипении проявляется в том, что чем выше  (), тем меньше  интенсивность перемешивания жидкости как непосредственно у стенки, так и в объеме жидкости.

Из уравнения для критического радиуса парового пузырька       (13-47) вытекает, что теплоотдача при пузырьковом кипении зависит от коэффициента поверхностного натяжения . Это влияние проявляется следующим образом. Если  растет,  то   увеличивается, число действующих центров парообразования    турбулизация пристенного слоя жидкости падает   уменьшается коэффициент теплоотдачи .

13.8.4. Влияние способа обогрева поверхности теплообмена

Влияние данного фактора  заключается в том, что он воздействует  на характер перехода  от пузырькового кипения к пленочному  и наоборот.

Можно выделить два способа  обогрева теплообменной поверхности:

Способ 1. Состоит в том, что независимо от процесса кипения произвольным образом изменяется значения температуры стенки (), т.е. величина температурного напора   . Независимое изменение температуры стенки  может быть получено  при паровом обогреве, когда на стороне  теплоподвода  имеет место  конденсация пара высокого давления.  Изменяя  давление конденсирующегося  пара, естественно, добиваемся  изменения температуры стенки .  Рассмотрим кривую кипения.

  Находясь в области конвективного теплообмена увеличивая , можно пройти кривую кипения вплоть до . Увеличивая дальше , будем наблюдать постепенную смену пузырькового кипения пленочным и далее пройдем в зону устойчивого пленочного кипени.

Находясь в области устойчивого пленочного кипения, при снижении () будем наблюдать обратный процесс перехода от пленочного кипения  к пузырьковому, и далее можно пройти остальную часть кривой кипения.

Таким образом, при задании на стенке граничных условий I рода (например, путем ее парового обогрева) наблюдается плавный переход от пузырькового кипения к пленочному и наоборот.

Способ 2.  Обогрев заключается в том, что независимо от процесса кипения на теплообменной поверхности изменяется плотность теплового потока . Это может быть достигнуто, например, при электрическом или же ядерном обогреве. Рассмотрим кривую кипения.

Находясь в области конвективного теплообмена, увеличивая величину  можно пройти кривую кипения вплоть до . При достижении происходит скачкообразная смена режима кипения. При таком скачкообразном переходе резко возрастает температура стенки, так что возможно разрушение теплообменной поверхности (пережог поверхности).

 Если же разрушение не  наступило, то можно пройти верхнюю часть кривой кипения.

Находясь в области устойчивого пленочного кипения, можно снижая , достигнуть плотности теплового потока . При достижении же  произойдет скачкообразный переход от пленочного режима к пузырьковому. Снижая далее можно пройти левую часть кривой кипения.

Таким образом, при реализации на обогреваемой поверхности ГУ ІІ рода (например, при ее электрическом или ядерном нагреве) имеют место скачкообразные процессы перехода от пузырькового кипения к пленочному, и наоборот. Т.е. в этом случае переходной режим кипения не реализуется.

Иными словами, в этой ситуации мы сталкиваемся со своеобразным тепловым гистерезисом, что не позволяет нам реализовать кривую кипения в области неустойчивого кипения.

13.8.5 Влияние других факторов

Отметим влияние на процесс кипения различных поверхностных факторов и, прежде всего шероховатости теплообменной поверхности.

Шероховатость поверхности существенным образом влияет на развитие процесса пузырькового кипения, что подтверждается опытными данными. Сравнивая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении на обычной технической поверхности и на той же поверхности, но после ее полировки, получили значения коэффициентов теплоотдачи на 40% меньше, чем на обычной технической поверхности. На теплоотдачу при кипении влияют также различные загрязнения на стенке в виде накипи оксидных пленок и т.д. Как показывают опыты, при относительно незначительных загрязнениях достигается некоторое увеличение интенсивности теплоотдачи. Однако, с другой стороны, при относительно больших загрязнениях, на стенке появляется значительное термическое сопротивление загрязнений, что приводит к снижению .

В опытах отмечалось также влияние на теплоотдачу при кипении  материала теплообменной поверхности, что может быть связано с изменением угла смачивания  и  т.д.

Поверхностные факторы носят случайный характер и не поддаются точному учету. Это приводит к тому, что, исследуя теплоотдачу при одних и тех же режимных параметрах , получают значения коэффициентов теплоотдачи с разбросом  (± 35%).

Относительно геометрических факторов, следует отметить, что размеры поверхности не влияют на развитие процесса кипения. Только в специфических условиях (например, кипение на тонких проволочках), отмечалась зависимость процесса кипения от диаметра проволоки.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81601. Организация взаимодействия трехмерного редактора и визуализатора на основе трассировки лучей 4.71 MB
  Данная дипломная работа заключается в организации взаимодействия трехмерного редактора и визуализатора на основе трассировки лучей путем добавления в визуализатор возможности импорта информации о трехмерной сцене из XML-файлов и написания программы-модуля для трехмерного редактора...
81602. Исследование характеристик позиционно чувствительного нейтронного детектора на пучках релятивистских протонов 5.41 MB
  В работе описан созданный для эксперимента FLINT позиционно чувствительный детектор. FLINT – эксперимент о поиску флуктон-флуктонного взаимодействия проводимый с 2006 года по настоящее время в ИТЭФ. Основной задачей эксперимента является изучение плотной холодной ядерной материи.
81603. Разработка проекта реконструкции системы электроснабжения промышленного предприятия (Улан-Удэнский авиационный завод) 12.39 MB
  В данном дипломном проекте решаются различные вопросы такие как: определение токов короткого замыкания расчет релейной защиты и автоматики определяются потери мощности и электроэнергии рассматриваются показатели качества электрической энергии.
81604. Основные и второстепенные способы номинации современных русских жаргонов НМО 533 KB
  Кроме того, на протяжении нескольких лет автор работы является непосредственным носителем жаргона одного из неформальных молодёжных объединений. Многие из тех, кто составляет его близкое окружение, также являются так называемыми «неформалами» разных направлений.
81605. Эволюция образа латиноамериканцев в поп-культуре США (на материале развлекательных телепрограмм) 2.05 MB
  Цель данной работы – проследить эволюцию образа латиноамериканцев на телевидении США за последние десять лет на материале наиболее популярных развлекательных телепередач и выяснить, как проявляется влияние латиноамериканской культуры на массовую американскую поп-культуру в телевизионных развлекательных СМИ.
81606. Разработать адаптированную технологию работы с медиаданными, видео- и служебными форматами при видеомонтажных работах в рамках произвоственной видеостудии кафедры ИКТ – Viditory 6.16 MB
  На каждом этапе развития технологий в области цифрового видеопроизводства растет спектр видеопродукт и растет спрос на них. Различные кинокомпании вещательные компании и отдельные видеостудии занимают одну из центральных ролей в инфраструктуре цифрового видео.
81607. Разработка системы базового финансового учёта для организации 556.19 KB
  Целью данной работы является разработка системы, позволяющая организовать и автоматизировать финансовые взаимоотношения между сотрудником и работодателем внутри организации. Задачи, которые были решены в этой работе: анализ существующих на рынке решений; азработка прототипа; проектирование и разработка системы;
81608. Бухгалтерский учёт, анализ и аудит: Методические указания 413.5 KB
  Выпускная квалификационная работа призвана показать глубину усвоения выпускником теоретических и практических знаний по специальности, умение грамотно и аргументировано излагать свои мысли и формулировать конкретные предложения по улучшению ведения учетно-аналитической работы в организациях.
81609. Перевод с английского юмористических рассказов В. Аллена 580.5 KB
  Ориентиром и примером стояли перед глазами давно любимые пьесы Ионеско, но в то же время было понятно, что найти ненайденный ещё в наш активный, даже перенасыщенный переводческий век необработанный алмаз почти невозможно.