Общие представления о процессе кипения

С.Б. Шевцова

 

Исследование теплоотдачи при кипении жидкости

В условиях пузырькового режима

Методические указания к лабораторной работе

 

Волжский 2007

УДК 536.2

ББК 31.31

 

Рецензент:

Сюзюмов С.В. – канд. техн. наук, доцент кафедры ПТЭ

ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском

 

Исследование теплоотдачи при кипении жидкости в условиях пузырькового режима: методические указания к лабораторной работе / Сост. Шевцова С.Б. – Волжский: Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. – 11 с.

 

 

Указания позволяют закрепить теоретические знания по изучению механизма теплообмена при кипении жидкости, определить факторы, влияющие на интенсивность теплообмена при пузырьковом режиме кипения, ознакомиться с методом экспериментального исследования теплоотдачи.

Методические указания к лабораторной работе иллюстрированы графиками и рисунками, изложены в доступной форме со ссылками на литературные источники. Являются хорошей учебной базой для представления данного раздела программного курса студентам всех технических специальностей очной и очно-заочной (вечерней) форм обучения теплоэнергетического факультета.

 

Печатаются по решению Учебно-методического совета филиала ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском.

 

 

УДК 536.2

ББК 31.31

 

Ó Шевцова С.Б., 2007

Ó Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)»

в г. Волжском, 2007

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Целью данной лабораторной работы является:

– изучение механизма теплообмена при кипении жидкости, а также факторов, влияющих на интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении;

– установление закономерности изменения коэффициента теплоотдачи α от обогреваемой нити к жидкости (фреону R 114 B 2) при пузырьковом кипении в зависимости от температурного напора;

– ознакомление с методикой экспериментального исследования теплоотдачи.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

 

Общие представления о процессе кипения

 

Кипением называется процесс интенсивного парообразования (фазового перехода из жидкости в пар), происходящий во всем объеме жидкости, находящейся при температуре, несколько перегретой относительно температуры насыщения.

Пузырьковое кипение – процесс, когда на греющей поверхности и в объеме жидкости образуются единичные пузыри. Пузырьковое кипение происходит во всем интервале между двойной и критической точками кривой кипения для данного вещества. Механизм теплообмена при этом виде кипения отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырьками из пограничного слоя.

Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, то есть повышение температуры жидкости t_ж относительно температуры насыщения t_с при заданном давлении p. Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при атмосферном давлении. Однако, в конце концов, такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы. При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.

Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление поверхности с жидкостью. При подводе теплоты через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, так называемых центрах парообразования.

Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру. Для практики этот вид кипения представляет собой наибольший интерес. Рассмотрим его основные характеристики.

По мере увеличения температуры поверхности нагрева t_s, соответственно и температурного напора ∆ t = t _с – t_s, число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает ее. Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2 – 0,4 °С (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Распределение температур в объеме кипящей жидкости

 

(t_с = 109,1 °С; p_a = 1·10⁵ Па; q = 22 500 Вт/м²)

 

При повышении температурного напора ∆ t значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева кипящей жидкости. Вся эта теплота, в конечном счете, расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

 

,

 

где Q – тепловой поток, Вт; r – теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; – количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с.

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора ∆ t растет не беспредельно. При некотором значении ∆ t он достигает максимального значения, а при дальнейшем повышении ∆ t начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим кипения называют пузырьковым.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают q _кр1; ей соответствует температурный напор ∆ t _кр1.

Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет q _кр1 = 1,2·10 Вт/м²; соответствующее критическое значение температурного напора ∆ t _кр1 = 25 – 35 °С. Эти величины относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий и других жидкостей величины будут иными.