Кризисы теплообмена

Коэффициент теплоотдачи от обогреваемой поверхности к кипящей жидкости зависит от температурного напора ΔT=T_c–T_н и от режима кипения (пузырьковый или пленочный (рис 11.4.).

Рис.11.4 Зависимость коэффициента теплоотдачи α от величины перегрева ΔT при кипении в большом объеме воды.

Линия ОА характеризует монотонное увеличение коэффициента теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения с увеличением температурного напора ΔT. В этом диапазоне увеличивается интенсивность образования и всплытия пузырьков. На участке кривых ОА удельный тепловой поток q=α∙ΔT от стенки к кипящей жидкости возрастает за счет увеличения α и ΔT (рис.11.5). В точке А коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения(ΔT= ΔT_А).

При дальнейшем увеличении ΔT режим течения переходит из пузырькового в пленочный. Термическое сопротивление парового слоя скачкообразно увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается до значений характерных для точки Г. Изменение механизма кипения при переходе от пузырькового режима течения к плёночному (и обратно) называется кризисом кипения.

Рис.11.5 Зависимость коэффициента теплоотдачи α от удельного теплового потока q при кипении в большом объеме воды.

Максимальную тепловую нагрузку, соответствующую т.А (рис.11.4. и 11.5) называют первой критической плотностью теплового потока q_кр1. Эта величина при кипении насыщенной жидкости в большом объеме зависит от рода кипящей жидкости, поля сил тяжести, давления, состояния поверхности, условий смачиваемости, наличия в жидкости примесей и поверхностно активных веществ. Температурный напор в момент критической тепловой нагрузки (рис.11.4) называют первым критическим температурным напором ΔT_кр1= ΔT_А. В момент начала первого кризиса теплообмена

(11.45)

Характерные величины первого критического теплового потока q_кр1 и критического температурного напора ΔT_кр1 составляют: q_кр1 ≈ 8,5∙10⁵ Вт/м², ΔT_кр1=25–30 К.

При кипении в большом объеме q_кр1 увеличивается при увеличении ускорения сил поля сил тяжести g:

q_кр1 ~ gⁿ, (11.46)

где n=0,15–0,25.

Неустойчивость двухфазного кипящего слоя у поверхности определяется соотношением сил тяжести, сил поверхностного напряжения и динамического напора соответствующего скорости парообразования. Удельный критический тепловой поток в большом объеме оценивается по формуле:

(11.47)

где С₁ =0,13–0,16.

При кипении жидкости в условиях вынужденного течения в трубах критический тепловой поток q_кр1 увеличивается при росте скорости циркуляции и при уменьшении паросодержания χ.

Первый кризис теплообмена кипения при фиксированной критической тепловой нагрузке приводит к резкому возрастанию температуры стенки (рис.11.4).

Возврат от пленочного режима кипения к пузырьковому происходит при уменьшении q (В–Б–Г–Д, рис.11.5) до q_кр2 называемого вторым критическим тепловым потоком. q_кр2 существенно меньше q_кр1. Наблюдается второй кризис кипения. Паровая пленка разрушается, термическое сопротивление парового слоя снижается и температура поверхности уменьшается. Температурный напор, соответствующий т. Г на кривой кипения (рис.11.4, 11.5) Называется вторым критическим температурным напором ΔT_кр2= ΔT_Г. Вторые критические потоки зависят от рода жидкости, давления, поверхностного натяжения, плотностей фаз и оценивается по формуле:

(11.48)

где С₁ =0,11– 0,14.