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

• Введение
• 1. Теплоотдача при кипении
• 1.1 Уравнение теплоотдачи
• 1.2 Коэффициент теплоотдачи
• Заключение
• Литературный овзор

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;

1 — поверхность теплообмена (стенка);

2 — насыщенный водяной пар;

3 — поверхность воды;

4 — всплывающие паровые пузыри;

5 — внешняя граница пограничного слоя;

температура поверхности жидкости;

— температура поверхности теплообмена (стенки);

— температура насыщения жидкости при заданном давлении;

— давление насыщения;

д — толщина пограничного слоя;

Q — 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 °C 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 F (1)

или Q F (2)

или q (3)

где Q — тепловой поток, Вт; q=Q/F — поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2; F — поверхность теплообмена (стенки), м2; - 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:

T f, max (4)

где T f, max — максимальный перегрев жидкости, 0С.

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверхности теплообмена и температурному напору между стенкой и жидкостью.

1.2 Коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи, 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, (5)

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при температурном напоре в 10C (1 К).

Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на основе экспериментального определения величин Q, F и .

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 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;

3. 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;

4. 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;

5. 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

2. https: // ru. wikipedia.org/wiki/Кипение

3.http://ispu.ru/files/u2/MU_2106_-_issledovanie_teplootdachi_pri_kipenii. pdf