Процессы и аппараты упаковочного производства

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТЕЙ

Нот вид теплоотдачи отличается высокой интенсивностью и встречается в химической технологии, например, при проведении таких процессов как выпаривание, перегонка жидкостей, в испа­рителях холодильных установок и др. Процесс теплоотдачи при кипении очень сложен и еще недостаточно изучен, несмотря на огромное количество проведенных исследований.

Для возникновения кипения необходимо прежде всего, чтобы температура жидкости была выше температуры насыщения, а также необходимо наличие центров парообразования. 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.

Д, ля 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 T = TCT — TкИп (TСТ И TКИП - соответственно температура стенки со стороны кипящей жидкости и температура кипения).

Рис. 11-9. Зависимость коэффициента теплоотдачи а и удельной тепловой нагрузки q мг температурного напора T При кипении воды: I и II - области соответственно пузырчатого и пленочного кипения

В области АВ Перегрев жидкости мал ( T < 5 К), 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 [см. уравнение (11.50)]. В этой области коэффициент теплоотдачи ~ . При дальнейшем повышении T = TCT — T Увеличивается число активных центров парообразования, и коэффициент теплоотдачи резко возрастает (отрезок ВС На рис. 11-9). Эту область называют Пузырчатым, Или Ядерным, Кипением.

Высокая интенсивность теплообмена при пузырчатом режиме кипения объясняется тем, что турбулизация пограничного слои у поверхности стенки пропорциональна числу и объему паровых пузырей, образующихся в микровпадинах на поверхности нагрева. В областях, близких к центрам парообразования (рис. 11-10), 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 существ венному ускорению процесса теплоотдачи. В области пузырчатого кипения ~ . В точке С Коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения, соответствующего максимальной удельной тепловой нагрузке (точка D). При дальнейшем увеличении наблюдается резкое снижение коэффициента теплоотдачи. Оно объясняется тем, что при некотором критическом значении T = происходит коалесценция (слияние) образующихся близко друг от друга пузырьков. При этом величина L на рис. 11-10 становится меньше диаметра пузырьков пара, и у поверхности стенки 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 Критическим. Например, для воды при атмосферном давлении 25 К, кр 4,5-104 Вт/(м2-К) и QКр 10б Вт/м2. В специальной литературе приводятся эмпирические зависимости, а также опытные данные, позволяющие определить критические значения QКр, .

Как отмечалось выше, паровой пузырек образуется в микровпадинах поверхности нагрева. Достигнув определенного диаметра d0 пузырек отрывается от поверхности.

Рис. 11-10. Схема процесса теплоотда­чи при пузырчатом кипении

Рис. 11-11. Угол смачивания на хорошо смачиваемой поверхности

На хорошо смачиваемых поверхностях пузырек отрывается от поверхности нагрева, имея форму шара. Поднимаясь, пузырек увеличивается в объеме вследствие испарения жидкости внутрь пузырька, сплющивается и приоб­ретает форму гриба со сложной траекторией подъема. При этом происходят непрерывное дробление и коалесценция пузырьков. Момент отрыва пузырьков соответствует состоянию равенства архимедовой силы, действующей на пузырек, и силы поверхност­ною натяжения жидкости, которая удерживает пузырек на стенке. Если принять, что пузырек при образовании на поверхности стенки имеет форму, близкую к сферической, то в момент отрыва величина d0 выражается зависимостью

Где -плотность соответственно жидкости и пара; -поверхностное натяжение

Жидкости на границе раздела фаз; -краевой угол смачивания (рис. 11-11); для воды,

Например, 50°.

Таким образом, транспорт теплоты при пузырчатом кипении состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, а затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков и виде теплоты испарения. Передача теплоты от стенки непосредственно к пузырьку ничтожно мала, так как очень мала поверхность касания пузырьков со стенкой, к тому же низка теплопроводность пара. Для того чтобы теплота от жидкости передавалась пузырькам пара, жидкость должна иметь температуру несколько выше температуры пара. Поэтому при кипении жидкость несколько перегрета относительно температуры насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от многих разнообразных факторов (физических свойств жидкости, давления, температурного напора, свойств материала поверхности нагрева и многих других), учесть влияние которых на процесс и свести их и единую зависимость крайне сложно. Часто эти зависимости имеют следующий вид:

, (11.60)

Где П =0,6 - 0,7; коэффициент А -сложный комплекс многих величин, влияющих на интенсивность переноса теплоты при кипении.