Утилизация тепла при пузырьковом и пленочном кипении
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет
Институт информационных технологий и
управления
Кафедра систем и технологий
управления
ОТЧЕТ
О НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
"Утилизация тепла при
пузырьковом и пленочном кипении".
Санкт-Петербург 2015
Оглавление
Введение
1. Теплоотдача при кипении
1.1 Уравнение теплоотдачи
1.2 Коэффициент теплоотдачи
Заключение
Литературный овзор
Введение
Теплообмен - это самопроизвольный необратимый процесс
передачи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой,
обусловленный различием их температур.
Существуют следующие элементарные виды теплообмена: теплопроводность,
конвекция теплоты и тепловое излучение. Сочетание теплопроводности и
конвекции, наблюдаемое в жидкостях, называют конвективным теплообменом. Если
конвективный теплообмен происходит между поверхностью и жидкостью, омывающей
эту поверхность, то такой вид теплообмена называют конвективной теплоотдачей.
В зависимости от фазового состояния жидкости различают
теплоотдачу в однофазной среде и теплоотдачу при фазовых превращениях,
например: при конденсации (переход пара в жидкость) и кипении (переход
жидкости в пар).
Кипением называется процесс образования пара внутри объема
жидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.
При конвективной теплоотдаче кипение происходит около
нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит
свободная конвекция жидкости в "неограниченном" пространстве, то
процесс называют "теплоотдачей при кипении в большом объеме".
Объем считается большим (неограниченным), если изменение его
размеров не влияет на процесс теплообмена между жидкостью и стенкой. В
противоположность этому процесс называют "теплоотдачей при кипении в
ограниченном объеме", например при кипении жидкости в трубах.
утилизация тепло кипение теплоотдача
Рис. 1. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (
=111,80 C, =1 бар):
a) - картина процесса кипения;
б) - распределение температуры;
- поверхность теплообмена (стенка);
- насыщенный водяной пар;
- поверхность воды;
- всплывающие паровые пузыри;
- внешняя граница пограничного слоя;
температура поверхности жидкости;
- температура поверхности теплообмена (стенки);
- температура насыщения жидкости при заданном давлении;
- давление насыщения;
δ - толщина пограничного слоя;- тепловой
поток от стенки к воде;
- массовый расход образовавшегося пара
В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется
температурное поле (рис. 1, б). При этом жидкость оказывается перегретой выше
температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости. В температурном
поле можно выделить две характерные области.
Тепловой пограничный слой - весьма тонкий слой жидкости, прилегающий непосредственно к
поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение
температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока
(см. рис.1).
Тепловое ядро потока - вся остальная жидкость за пределами теплового пограничного
слоя.
Количество теплоты, необходимое для
перевода жидкости в пар в процессе кипения можно рассчитать по формуле:
где m - масса жидкости (кг), L - удельная
теплота парообразования.
Удельная теплота парообразования показывает, какое количество
теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при
температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [L]
=1Дж/кг. С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная
теплота парообразования уменьшается и наоборот.
Рис. 2. График кипения
Во время кипения температура жидкости не меняется.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на
жидкость.
Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою
температуру кипения.
При увеличением атмосферного давления кипение начинается при
более высокой температуре, при уменьшении давления - наоборот.
Так, например, вода кипит при 100°С лишь при нормальном
атмосферном давлении.
1.
Теплоотдача при кипении
1.1 Уравнение
теплоотдачи
При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи,
используют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между
температурным напором "стенка - жидкость" и тепловым потоком через
поверхность теплообмена:
Q =a ×( -
)×F (1)
или Q =a ×D ×F (2)
или q =a ×D (3)
где Q - тепловой поток, Вт; q=Q/F - поверхностная плотность
теплового потока, Вт/м2; F - поверхность теплообмена (стенки), м2; a - средний по поверхности F коэффициент
теплоотдачи, Вт/ (м2К); - температура поверхности теплообмена (стенки), 0С; - температура насыщения жидкости при заданном давлении, 0С.
При этом в качестве температурного напора выступает перегрев
стенки:
D =T f, max = - (4)
где DT f, max - максимальный перегрев жидкости,
0С.
Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверхности
теплообмена и температурному напору D между стенкой и жидкостью.
1.2
Коэффициент теплоотдачи
Коэффициент теплоотдачи a, Вт/ (м2К), - это
коэффициент пропорциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность
теплоотдачи. Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от большого
числа различных факторов:
а) физических свойств жидкости;
б) чистоты жидкости;
в) ее температуры и давления;
г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве
поверхности теплообмена;
д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности;
е) величины перегрева жидкости и т.п.
Поэтому определение коэффициента теплоотдачи при кипении -
весьма трудная задача. Различают локальное (в данной точке поверхности) и
среднее по поверхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:
Т F Q w D × a =, (5)
Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на
основе экспериментального определения величин Q, F и D.
Режимы кипения (теплоотдачи)
Механизм кипения и интенсивность теплоотдачи зависят от
величины перегрева стенки. Выделяют три основных режима кипения: пузырьковый,
переходный и пленочный.
На практике наиболее часто встречается
кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, через которую подводится
тепловая энергия.
Процесс кипения является частным случаем
конвективного теплообмена, в котором происходит дополнительный перенос массы
вещества и теплоты паровыми пузырями от поверхности нагрева в объем жидкости.
Пузырьковый режим
Радиус межфазной поверхности
пузырька-зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на
поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при
незначительном перегреве жидкости, "работают" лишь крупные центры
парообразования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют радиус меньше
критического.
С увеличением перегрева жидкости
активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество
образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.
В результате интенсивность теплоотдачи
чрезвычайно быстро увеличивается (рис. 3, область 2). Коэффициент теплоотдачи
достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/ (м2К) (при высоких давлениях).
Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и
интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара.
Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот
режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при
охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических,
химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур. Теплоотдача при
пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров
парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь,
пропорциональны максимальному перегреву 8 ∆
жидкости и давлению 
. силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан
по формуле вида:
где C1, z, n - эмпирические постоянные; ∆Tw - перегрев
стенки, 0С; . - давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар.
Формулу используют в расчетах пузырькового кипения при граничных
условиях первого рода.
Рис. 3. Кривые теплоотдачи при кипении: 1 - конвективная область
без кипения; 2 - область пузырькового кипения; 3 - переходная область; 4 -
область пленочного кипения; 5 - участок пленочного кипения со значительной
долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 - соответственно точки первого и
второго кризисов кипения.
Первый кризис кипения. Переходный режим
При дальнейшем увеличении перегрева (∆Tw) интенсивность
теплоотдачи, достигнув максимума в критической точке "кр1", начинает
снижаться (см. рис.3 область 3) из-за слияния всевозрастающего количества
пузырей в паровые пятна. Площадь паровых пятен возрастает по мере увеличения ∆Tw
и охватывает в итоге всю стенку, превращаясь в сплошную паровую пленку, плохо
проводящую теплоту.
Таким образом, происходит постепенный переход от пузырькового
режима кипения к пленочному, сопровождающийся снижением интенсивности
теплоотдачи. Начало такого перехода называют первым кризисом кипения.
Под кризисом понимают коренное изменение механизма кипения и теплоотдачи.
Второй кризис кипения. Пленочный режим
При дальнейшем увеличении перегрева (∆Tw) интенсивность
теплоотдачи, достигнув минимума во второй критической точке "кр2",
снова начинает возрастать в области пленочного режима кипения (см. рис.3,
области 4 и 5). Такую перемену характера влияния перегрева на теплоотдачу
называют вторым кризисом кипения.
В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет жидкость
от поверхности и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент теплоотдачи
перестает снижаться, оставаясь практически постоянным. Тепловой же поток,
согласно закону Ньютона (3), снова начнет увеличиваться из-за возрастания
температурного напора ∆Tw. Интенсивность теплоотдачи в пленочном режиме
кипения весьма низка, и это приводит к сильному перегреву поверхности
теплообмена.
Кипение в большом объёме
Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде
можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:
где 
- тепловой поток;
- температура стенки;
средняя температура жидкости.
Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей
поверхности к жидкости и называется кривой кипения (рисунок 4).
Рис. 4. Кривая кипения воды
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%B0> в трубах
Можно выделить пять характерных областей:
1. До точки 
. Область конвекции;
2. Между точками и 
. Область неразвитого
пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за
счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;
. Между точками и 
. Область развитого
пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за
счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по
мере увеличения плотности пузырьков;
. Между точками и 
. Область неустойчивого
пленочного кипения. Характеризуется "сливанием" отдельных пузырьков в
пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также
нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;
. От точки . Область устойчивого
пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной
пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.
Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая
температуру греющей стенки . В этом случае, по мере увеличения последовательно
сменяются пять областей кипения.
В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок
смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга
режимы конвекция не кипящей жидкости (до т. ), поверхностного кипения
(между точками и ) и развитого
пузырькового кипения (между точками и ). При дальнейшем
увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой
пленкой (от точки до точки 
), что сопровождается
увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного
состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки 
). Данное явление
называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток 
, при котором начинается
резкий рост температур (-) - первым критическим тепловым потоком, или,
чаще, просто - критическим тепловым потоком.
Если после достижения точки тепловой поток начинает
уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки . В случае дальнейшего
уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый
(от точки до точки 
), и температура греющей
поверхности быстро снижается. Тепловой поток 
, при котором пленочный
режим кипения сменяется на пузырьковый (-), называется вторым
критическим тепловым потоком.
Заключение
В данный работе мною была исследована кипения при пузырьковым
режиме и пленочным режиме и кипение в большом объёме.
Кипением называется процесс образования пара внутри объема
жидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.
При конвективной теплоотдаче кипение происходит около
нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит
свободная конвекция жидкости в "неограниченном" пространстве, то
процесс называют "теплоотдачей при кипении в большом объеме".
Количество теплоты, необходимое для
перевода жидкости в пар в процессе кипения.
Механизм кипения и интенсивность теплоотдачи зависят от
величины перегрева стенки. Выделяют три основных режима кипения: пузырьковый,
переходный и пленочный.
Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную
теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных
электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических,
металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких
температур.
В пленочном режиме кипения сплошная пленка пара оттесняет
жидкость от поверхности и условия теплообмена стабилизируются, а коэффициент
теплоотдачи перестает снижаться, оставаясь практически постоянным.
Литературный
овзор
1. http://abc.
vvsu.ru/Books/p_teplotehnika/page0014. asp
<http://abc.vvsu.ru/Books/p_teplotehnika/page0014.asp>
. https: // ru.
wikipedia.org/wiki/Кипение <https://ru.wikipedia.org/wiki/Кипение>
.http://ispu.ru/files/u2/MU_2106_-_issledovanie_teplootdachi_pri_kipenii.
pdf
<http://ispu.ru/files/u2/MU._2106_-_issledovanie_teplootdachi_pri_kipenii.pdf>