Научная Петербургская Академия

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Кипение – процесс парообразования в объеме перегретой жидкости (температура >

температуры насыщения). Характеризуется образованием новых поверхностей раздела

фаз.

1. Сведения о жидкостях.

Характерно сохранение объема, но принимает форму сосуда в котором она

находится. Для жидкостей характерно сохранение ближнего порядка расположения

молекул.

Френкель предложил такое строение жидкости: если рассмотреть объем жидкости,

то молекула совершает колебательное движение около положения равновесия и

перескакивает на другое место.

Продолжительность колебания для определенного вещества при определенной

температуре – величины определенные с увеличением температуры длительность

колебаний уменьшается и в пределе жидкость ведет себя как газ, снижается

вязкость жидкости.

Поверхностное натяжение жидкости.

Рассмотрим некоторый объем жидкости имеющую свободную поверхность.

Т.о. поверхностный слой жидкости обладает дополнительной энергией, которая

является основной составляющей внутренней энергии жидкости. Жидкость ведет

себя как бы она была заключена в упругую оболочку. Система стремится занять

положение соответствующее минимуму энергии.

Рассмотрим каплю жидкости в газе или паровой пузырь находящийся в жидкости.

Рассечем каплю жидкости и рассмотрим две полусферы

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Средняя длина поверхности : Шпора: Кипение

Для сферы Шпора: Кипение т.к. Шпора: Кипение

Для плоскости Шпора: Кипение

Сфера Шпора: Кипение

Плоскость Шпора: Кипение

Формула ЛапласаШпора: Кипение

- поправка Лапласа на избыточное давление.

Всё сказанное о силах поверхностного натяжения применительно жидкости

справедливо и для твердых тел, поэтому при рассмотрении явлений на границе

раздела фаз нельзя говорить о поверхностном натяжении какой-либо среды, надо

рассматривать их во взаимодействии.

Граница раздела принимает форму соответствующего минимального суммарного

раздела.

- схема сил действующих на линии раздела трех фаз.Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение - краевой угол

смачивания, определяется как угол отсчитываемый внутри жидкости и образованный

касательными.

Шпора: Кипение полное смачивание Шпора: Кипение

Шпора: Кипение жидкость абсолютно не смачивает поверхность, Шпора: Кипение .

2. Внутренние характеристики кипения.

Для роста пузырька пара давление внутри этого пузырька должно быть больше сил

давления поверхностного натяжения и внешнего давления Шпора: Кипение Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

кривая упругости пара над плоской поверхностью (1), над вогнутой поверхностью

(2).

Шпора: Кипение уравнение Клапейрона-Клазиуса.

Шпора: Кипение удельные объемы

Шпора: Кипение энтропии.

Шпора: Кипение ; Шпора: Кипение

Шпора: Кипение ;Шпора: Кипение

Шпора: Кипение ; Шпора: Кипение Шпора: Кипение Шпора: Кипение Шпора: Кипение

Шпора: Кипение число зародышей пара.

Шпора: Кипение

Рост пузырька происходит от конечного размера, радиуса, который

характеризуется свойствами поверхности.

Возьмем воду при Шпора: Кипение

и определим критические радиусы пузырька при различных перегревах.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

3. Минимальная работа образования пузырей критического размера.

Шпора: Кипение работа затрачиваемая на образование пара.

Первое слагаемое – работа расширения, второе – работа создание новой

межфазной поверхности.

Шпора: Кипение избыточное давление. Шпора: Кипение

Шпора: Кипение т.к. Шпора: Кипение

V – объем пузырька, Шпора: Кипение

F – площадь поверхности пузырька, Шпора: Кипение . Подставим в нач. у-е и получим:

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Отсюда следует:

Шпора: Кипение

С увеличением перегрева Шпора: Кипение

работа образования пузырька уменьшается. На твердой поверхности силы сцепления

между молекулами жидкости и твердого тела меньше нежели между молекулами

жидкости. Вероятность образования пузырька на поверхности больше чем в

жидкости.

Отрывной диаметр парового пузыря.

Отрывной диаметр Шпора: Кипение

соответствует среднестатистическому объему пузыря в момент отрыва. Его значение

определяется по формуле:

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

выражение под корнем представляет собой капиллярную постоянную Лапласа. Эта

величина часто используется в качестве характерного размера в безразмерных

уравнениях описывающих свойства безфазных потоков.

Форма пузыря зависит от соотношения между силами вязкости и инерции. В случае

преобладания сил вязкости пузырь имеет сферическую форму. При больших

скоростях роста паровых пузырей, а это может происходить при пониженных

давлениях преобладают силы инерции.

4. Скорость роста парового пузырька.

r – теплота парообразования. Рассмотрим баланс теплоты. Через межфазную

поверхность через время Шпора: Кипение

передается количество теплоты. За этот же период размер пузыря увеличивается на

dV.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение ; Шпора: Кипение

Шпора: Кипение ; Шпора: Кипение

Шпора: Кипение Рассмотрим

плотность теплового потока на границе межфазной поверхности. Предложили Фриц и

Энде.

Шпора: Кипение

Принебрегая кривизной поверхности раздела фаз воспользуемся решением для

плоской поверхности.

Шпора: Кипение Шпора: Кипение выразим dR

Шпора: Кипение

Проинтегрировав данное выражение получим:

Шпора: Кипение далее имеем:

Шпора: Кипение

Ja – число Якоба, характеризует соотношение между теплотой перегрева и

теплотой парообразования.

Частота отрыва пузырей.

т. С – отрыв пузырька.

ДА – рост температуры стенки до образования нового пузырька.

Шпора: Кипение время от начала образования пузырька до его отрыва. Шпора: Кипение время ожидания.

Частота отрыва пузырьков:

Шпора: Кипение Шпора: Кипение Шпора: Кипение

Шпора: Кипение где Шпора: Кипение

Шпора: Кипение , W’’- средняя за цикл скорость роста пузыря. Для воды W’’=0,48 м/с

Число действующих центров парообразования.

Шпора: Кипение С ростом температуры

стенки все большее число неровностей, шероховатостей становится центрами

парообразования.

При Шпора: Кипение Шпора: Кипение

Интенсивность теплообмена при парообразовании.

Кипение – процесс парообразования в объеме перегретой жидкости (температура >

температуры насыщения).

Кипение классифицируют по следующим признакам:

1) пузырьковое и пленочное;

2) по виду конвекции у поверхности теплообмена. При свободной и вынужденной

конвекции;

3) по отношению к температуре насыщения. Без недогрева и кипение с недогревом;

4) По ориентации поверхности кипения в пространстве. На горизонтальных

наклонных и вертикальных поверхностях;

5) По характеру кипения. Развитое и неразвитое, неустойчивое кипение.

Неразвитое – число центров парообразования невелико.

Неустойчивое – кипение случайным образом сменяется конвекцией.

Наиболее часто встречающийся – кипение в большом V на горизонтальной

поверхности.

Характерный размер паровой фазы << характерного размера поверхности на

которой происходит кипение.

Образуются паровые пузыри, которые увеличиваются, достигают отрывных

диаметров и отрываются. В процессе всплытия рост пузырьков продолжается.

Кипение при недогреве – пузырьки растут у основания, отрываются и схлопываются.

В первом случае пузырьки оторвались, всплывают и растут в V. Теплообмен при

кипении характеризуется коэффициентом теплоотдачи Шпора: Кипение

, а это позволяет отводить высокие плотности тепловых потоков при низких Шпора: Кипение

. Кипение может быть в трубах, на трубах, в порах, щелях.

Способы подвода тепла теплообменной поверхности:

- граничные условия первого рода;

- граничные условия второго рода (q=const);

Г.у. первого рода (t=const) можно обеспечить либо за счет фазового перехода,

либо за счет Шпора: Кипение

Кривая кипения.

Это зависимость Шпора: Кипение от Шпора: Кипение .

Представляет наиболее реальный процесс кипения.

В области 1 – конвективный теплообмен.

В области В – плотность достигает такой величины, что начинают

активизироваться первые центры парообразования. Значительная доля теплоты

отводится конвекцией.

Область 1: Шпора: Кипение

Шпора: Кипение ламинарный режим;

Шпора: Кипение турбулентный режим.

Зона 2а – количество центров парообразования невелико и значительная часть

тепла отводится конвекцией.

Зона 2б – развитое пузырьковое кипение.

В т.С пузырьков пара настолько много и частота отрыва их настолько велика,

что отдельные пузырьки пара начинают сливаться в отдельные паровые пленки.

т.С – точка кризиса теплообмена, q – достигает своего максимума Шпора: Кипение .

Д – пленочное кипение.

Область 2б Шпора: Кипение

Область 4 – режим пленочного кипения.

Коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объеме.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение - объем пузыря,

Шпора: Кипение - плотность пара, F – частота отрыва,

Шпора: Кипение - количество центров парообразования.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение - капиллярная постоянная Лапласа.

Шпора: Кипение Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

- формула Кутателадзе.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение формула Лабунцова

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение Шпора: Кипение Шпора: Кипение

для воды при P<5 МПа:

Шпора: Кипение Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение - чем меньше

отношение, тем больше работа пузыря. Отложение на поверхности увеличивают

шероховатость. Сами отложение имеют низкое Шпора: Кипение

. Сам слой создает дополнительное термическое сопротивление. Шпора: Кипение

Кризисы теплоотдачи.

Называется процесс связанный с коренным изменением механизма и интенсивности

теплообмена.

Будем медленно увеличивать плотность теплового потока.

С ростом плотности теплового потока у нас увеличивается Шпора: Кипение

, а следовательно растет коэффициент парообразования.

Увеличение частоты отрыва приводит к тому, что пузыри догоняют друг друга и

сливаются в столбики пара.

Увеличение центров парообразования приводит к слиянию паровых пузырей

отдельных ЦПО – движутся столбики пара.

Динамический напор пара оценивается как Шпора: Кипение

. Силы, которые стабилизируют систему оцениваются величиной Шпора: Кипение

Шпора: Кипение капиллярная постоянная.

В момент кризиса отношение этих величин есть величина постоянная.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

В итоге так как у нас Шпора: Кипение то получаем

Шпора: Кипение

k критерий устойчивости, характеризует меру отношения

энергии динамического напора пара к энергии необходимой для ускорения частиц

жидкости k=0,13.0,16 .

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Второй кризис.

Разрушение паровой пленки при постоянном q приводит к переходному режиму.

Величина зависит от рода жидкости, давления и физических и геометрических

свойств поверхности.

С возрастанием Шпора: Кипение доля

конвективного теплообмена уменьшается, а доля лучистого теплообмена возрастает.

Влияние скорости движения жидкости на теплоотдачу при кипении.

На перегретый слой кроме возмущающего действия пузырей также воздействует

турбулентные пульсации двухфазного потока. Движущиеся жидкость оказывает

влияние на теплообмен.

1 – постоянная Шпора: Кипение не зависимо от W, она определяется кипением.

2 – совместное влияние скорости и плотности теплового потока. Шпора: Кипение

Шпора: Кипение при Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

3 - Шпора: Кипение от скорости зависит в степени 0,8

Шпора: Кипение . Коэффициент

теплоотдачи будет определяться только конвекцией и кипение можно не учитывать.

Кризис при движении в двухфазном потоке.

Причиной возникновения кризиса является нарушение контакта жидкости с твердой

поверхностью. Повышение температуры в момент кризиса может составлять от 1.100

градусов цельсия. Кризис т/о объединяет ряд процессов, которые приводят к

ухудшению Шпора: Кипение

и повышению температуры стенки.

А) кризис при течении недогретой жидкости, поверхностное кипение.

Резкое повышение температуры стенки, стенка может разрушиться.

Б) слабо догрета до температуры кипения.

Пузырьковое кипение. Кризис возникает в следствии нарушения устойчивости

структуры двух фазного граничного слоя.

В) кризис в дисперсно кольцевом потоке. Жидкость движется в виде пленочки.

Г) кризис при дисперсном потоке. Капли несутся с паром и выпадают на

поверхность орошая ее. Кризис наступает при недостаточном орошении поверхности

каплями жидкости.

Теплообмен при кипении внутри труб.

Двухфазный поток называется адиабатным если отсутствует тепловой поток между

стенкой и потоком. Если фазы жидкие и паровая имеют одинаковую температуру,

то поток называется термодинамически равновесным.

Рассмотрим параметры двухфазного потока, расходные и истинные.

Рассмотрим сечение трубы.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Х – массовое расходное паросодержание.

Шпора: Кипение - объемное расходное паросодержание.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение - приведенная скорость пара.

Шпора: Кипение - истинная скорость пара.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение - истинное паросодержание.

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение

Шпора: Кипение относительная балансовая энтальпия.

Шпора: Кипение



(C) 2009