В термодинамике жидкости пузырьковое кипение — это тип кипения , который происходит, когда температура поверхности на определенную величину превышает температуру насыщенной жидкости , но тепловой поток ниже критического теплового потока . Для воды, как показано на графике ниже, пузырьковое кипение происходит, когда температура поверхности превышает температуру насыщения ( TS ) на 10–30 °C (18–54 °F). Критический тепловой поток представляет собой пик на кривой между пузырьковым и переходным кипением. Теплоотдача от поверхности к жидкости больше, чем при пленочном кипении .
Пузырьковое кипение часто встречается в электрических чайниках и является причиной шума, возникающего перед закипанием. Это также происходит в водогрейных котлах, где вода быстро нагревается.
В области пузырькового кипения можно выделить два различных режима. Когда разница температур составляет примерно от 4 до 10 ° C (от 7,2 до 18,0 ° F) выше T S , изолированные пузырьки образуются в местах зародышеобразования и отделяются от поверхности. Такое разделение вызывает значительное перемешивание жидкости вблизи поверхности, существенно увеличивая коэффициент конвективной теплопередачи и тепловой поток. В этом режиме большая часть теплопередачи осуществляется за счет прямой передачи от поверхности к жидкости, движущейся у поверхности, а не через пузырьки пара , поднимающиеся с поверхности.
При температуре от 10 до 30 °C (от 18 до 54 °F) выше T S может наблюдаться второй режим потока. По мере того, как все больше центров зародышеобразования становятся активными, увеличение образования пузырьков вызывает интерференцию и слияние пузырьков . В этой области пар выходит в виде струй или столбов, которые впоследствии сливаются в клубки пара.
Интерференция между густонаселенными пузырьками тормозит движение жидкости вблизи поверхности. На графике это наблюдается как изменение направления градиента кривой или перегиб кривой кипения. После этого коэффициент теплопередачи начинает снижаться по мере дальнейшего увеличения температуры поверхности, хотя произведение коэффициента теплопередачи и разницы температур (тепловой поток) все еще увеличивается.
Когда относительное увеличение разницы температур уравновешивается относительным уменьшением коэффициента теплопередачи, достигается максимальный тепловой поток, как видно по пику на графике. Это критический тепловой поток. В этот момент максимума образуется значительное количество пара, что затрудняет постоянное смачивание жидкости жидкостью для получения тепла от поверхности. После этого момента тепловой поток уменьшается. В крайних случаях наблюдается пленочное кипение, широко известное как эффект Лейденфроста .
Процесс образования пузырьков пара внутри жидкости в микрополостях, прилегающих к стенке, если температура стенки на поверхности теплопередачи превышает температуру насыщения , а основная масса жидкости ( теплообменник ) переохлаждена . Пузырьки растут до тех пор, пока не достигнут критического размера, после чего они отделяются от стенки и уносятся в основной поток жидкости . Там пузырьки схлопываются, поскольку температура объемной жидкости не такая высокая, как на поверхности теплопередачи, где образовались пузырьки. Это разрушение также является причиной звука, который издает чайник во время нагрева, но до температуры, при которой достигается объемное кипение.
Теплообмен и массоперенос при пузырьковом кипении оказывают существенное влияние на скорость теплоотдачи. Этот процесс теплопередачи помогает быстро и эффективно отводить энергию, создаваемую на поверхности теплопередачи, и поэтому иногда желателен — например, на атомных электростанциях , где в качестве теплоносителя используется жидкость .
Эффекты пузырькового кипения проявляются в двух местах:
Процесс пузырькового кипения имеет сложную природу. Ограниченное количество экспериментальных исследований дало ценную информацию о явлениях кипения, однако эти исследования часто давали противоречивые данные из-за внутренних перерасчетов (состояние хаоса в жидкости, не применимое к классическим термодинамическим методам расчета, поэтому дающее неверные возвращаемые значения) и не дали результатов. предоставили убедительные результаты, которые еще предстоит разработать модели и корреляции. Явление пузырькового кипения все еще требует большего понимания. [1]
Режим пузырькового кипения важен для инженеров из-за высоких тепловых потоков , возможных при умеренных перепадах температур. Данные можно соотнести уравнением вида [2]
Где Nu — число Нуссельта , определяемое как:
где:
Росенов разработал первую и наиболее широко используемую корреляцию пузырькового кипения [3]
где:
Переменная n зависит от комбинации поверхностных флюидов и обычно имеет значение 1,0 или 1,7. Например, вода и никель имеют C SF 0,006 и n 1,0.
Если тепловой поток кипящей системы выше критического теплового потока (CHF) системы, основная жидкость может закипеть или, в некоторых случаях, могут закипеть области основной жидкости, где жидкость движется по небольшим каналам. При этом образуются большие пузырьки, иногда блокирующие прохождение жидкости. Это приводит к отходу от пузырькового кипения ( DNB ), при котором пузырьки пара больше не отрываются от твердой поверхности канала, пузырьки доминируют над каналом или поверхностью, а тепловой поток резко уменьшается. Пар по существу изолирует основную жидкость от горячей поверхности.
Поэтому во время DNB температура поверхности должна значительно превышать температуру объемной жидкости, чтобы поддерживать высокий тепловой поток. Предотвращение CHF является инженерной проблемой в приложениях теплопередачи, таких как ядерные реакторы , где топливные пластины не должны перегреваться. На практике DNB можно избежать, увеличивая давление жидкости, увеличивая ее скорость потока или используя объемную жидкость с более низкой температурой и более высоким CHF. Однако если объемная температура жидкости слишком низкая или давление жидкости слишком высокое, пузырьковое кипение невозможно.
ДНБ также известен как переходное кипение , нестабильное пленочное кипение и частичное пленочное кипение . При кипении воды, как показано на графике, переходное кипение происходит, когда разница температур между поверхностью и кипящей водой примерно на 30–130 ° C (от 54 до 234 ° F) выше T S . Это соответствует высокому пику и низкому пику на кривой кипения. Нижняя точка между переходным кипением и пленочным кипением — это точка Лейденфроста .
При переходном кипении воды образование пузырьков происходит настолько быстро, что на поверхности начинает образовываться паровая пленка или слой пара. Однако в любой точке поверхности условия могут колебаться между пленочным и пузырьковым кипением, но доля общей поверхности, покрытой пленкой, увеличивается с увеличением разницы температур. Поскольку теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, коэффициент конвективной теплоотдачи и тепловой поток уменьшаются с увеличением разницы температур.
![{\displaystyle {\frac {q}{A}}=\mu _{L}h_{fg}\left[{\frac {g(\rho _{L}-\rho _{v})}{\ сигма }}\right]^{\frac {1}{2}}\left[{\frac {c_{pL}\left(T_{s}-T_{\mathrm {sat} }\right)}{C_ {sf}h_{fg}\mathrm {Pr} _{L}^{n}}}\right]^{3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01b007074e80d52f5423e3c2559a93e772f76a89)
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )