Теоретические основы теплотехники. Ляшков В.И. - 113 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

,
нн
п
ннп
R
p
R
R
p
S
l
pppp
2
4
2
2
σ
+=
π
π
σ
+=
σ
+=∆+=
где
R – радиус пузырька; σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Значит существование и рост пузырька
возможны только тогда, когда жидкость имеет температуру, несколько большую, чем температура насыщения, т.е. перегрета
настолько, чтобы уравновесить величину
∆p = σ / 2R. В таком случае при испарении объем пузырька будет расти, а давление
в нем постепенно приближаться к
р
н
.
Экспериментальные исследования полностью подтверждают эти рассуждения.
На рис. 2.61 показаны образование, отрыв и всплытие пузырьков пара и изменение
температуры внутри кипящей жидкости. Из рисунка видно, что заметный перегрев
имеет место только в пристенном слое жидкости, где сильно проявляется влияние ее
теплопроводности и где находится зона возникновения пузырьков. В основном же
объеме жидкости в результате активного перемешивания температура жидкости
практически одинакова и степень перегрева незначительна.
Наибольший перегрев возникает в зоне непосредственного контакта жидкости с
горячей стенкой
,
нс
ttt
−
=
∆
здесь
∆t = q / α и величина этого перегрева зависит от передаваемого теплового
потока
q.
При небольших
q или в начале кипения, когда перегрев жидкости еще небольшой, возникающие пузырьки пара очень
малы и силы поверхностного натяжения не позволяют им расти, поскольку перегрев жидкости недостаточен. В результате
возникает так называемое пристенное кипение, когда образующиеся пузырьки пара здесь же конденсируются и
до
поверхности практически не доходят.
В тех местах поверхности, где имеются микротрещины, микронеровности, царапины или пузырьки выделившегося
растворенного воздуха перегрев жидкости будет большим, и там возникают регулярные центры парообразования. С
увеличением тепловой нагрузки
q число таких центров и перегрев жидкости растут и начинается обычное кипение. Форма
пузырька зависит от того, смачивает или не смачивает (это бывает реже) жидкость поверхность теплоотдачи (см. рис. 2.62). С
течением времени объем пузырька растет,
и когда подъемные силы станут больше сил сцепления, происходит отрыв и
всплытие пузырька. На его месте образуется, растет и вновь отрывается новый
пузырек.
Образование, рост и отрыв пузырьков приводит к значительной
турбулизации слоя жидкости, непосредственно соприкасающегося со стенкой.
Именно этим объясняется очень высокая интенсивность теплоотдачи при
кипении. Ведь во всех остальных случаях возле стенки всегда находится
неподвижный слой жидких комков, а здесь и этот слой находится в движении.
С увеличением
q увеличиваются перегрев жидкости и число центров парообразования, возрастают интенсивность
кипения и величина
α. При некоторой нагрузке q
кр
, ее называют критической, число центров парообразования возрастает
настолько, что пузырьки пара как бы отгораживают жидкость от стенки. Образуется нестабильная пленка пара, через которую
тепло передается в основном теплопроводностью. При этом величина
α резко уменьшается, так как пар имеет малую
теплопроводность. Такое кипение называют пленочным, а переход к нему – кризисом кипения. На рис. 2.63 приведена так
называемая кривая кипения, показывающая, как изменяется величина
α при изменении q. Из рисунка видно, что переход к
пленочному кипению, происходящий при нагрузке
q
кр1
, сопровождается резким уменьшением α. Обратный же переход от
пленочного кипения к пузырьковому происходит при другой, гораздо меньшей нагрузке
q
кр2
.
Кризис кипения – явление нежелательное и очень опасное, так как приводит к перегреву материала стенки и
уменьшению ее механической прочности. Действительно, записав известную формулу
q = α (t
с
– t
н
),
видим, что при практически неизменной величине q резкое уменьшение α возможно лишь при таком же увеличении разницы
(
t
с
– t
н
), т.е. при увеличении t
с
. С увеличением t
с
прочность стенки уменьшается и она может не выдержать действующих на
нее механических напряжений. Кризис кипения явился причиной многих трагических аварий в теплоэнергетике, включая и
Чернобыльскую катастрофу.
Поэтому при проектировании парогенерирующего оборудования назначают рабочую тепловую нагрузку
q так, чтобы
она не превышала величины
q
кр2
. Это возможно, если перегрев жидкости невелик и температура ее не превышает
температуры предельного перегрева t
пп
, поскольку полный контакт жидкости со стенкой возможен только при t
с
< t
пп
.
Величина t
пп
для разных жидкостей определена экспериментально и приводится в справочниках [15]. Известны и
критериальные уравнения, позволяющие рассчитать величину
q
кр2
[23].
Величину коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении воды обычно рассчитывают по эмпирической формуле:
,
,
)(,
,
н
,
н
660
180
04501
1043
q
p
p
−
=α
где
р
н
– давление насыщения, МПа; q – плотность теплового потока при кипении, Вт/м
2
.
Для расчета кипения других жидкостей предложены следующие критериальные уравнения:
при 10
-5
< Re
*
<1 0
-2
;PrRe,Nu
,,**33050
06240=
при 10
-2
≤ Re
*
< 10
4
.PrRe125,0Nu
33,065,0**
=
t
н
0,6 К
9 К
1 см
t
h
q
Рис. 2.61 Кипение в большом
объеме и зависимость t = f (h)
cмачиваемая
неcмачиваемая
Рис. 2.62 Формы пузырьков
при кипении

Страницы