Пузырчатое кипение

В термодинамике жидкости пузырьковое кипение — это тип кипения , который происходит, когда температура поверхности на определенную величину выше температуры насыщенной жидкости , но при этом тепловой поток ниже критического теплового потока . Для воды, как показано на графике ниже, пузырьковое кипение происходит, когда температура поверхности выше температуры насыщения ( $TS ) на 10-30 °C (18-54 °F). Критический тепловой поток — это пик на кривой между пузырьковым кипением и переходным кипением. Передача тепла от поверхности к жидкости больше,$ чем при пленочном кипении .

Пузырчатое кипение распространено в электрических чайниках и является причиной шума, который возникает перед закипанием. Оно также происходит в водогрейных котлах, где вода быстро нагревается.

Механизм

В области пузырькового кипения можно выделить два различных режима. Когда разница температур составляет приблизительно от 4 до 10 °C (от 7,2 до 18,0 °F) выше T _{S , в местах}зародышеобразования образуются изолированные пузырьки , которые отделяются от поверхности. Это разделение вызывает значительное перемешивание жидкости вблизи поверхности, существенно увеличивая коэффициент конвективной теплопередачи и тепловой поток. В этом режиме большая часть теплопередачи осуществляется посредством прямой передачи от поверхности к движущейся на поверхности жидкости, а не через пузырьки пара , поднимающиеся от поверхности.

Между 10 и 30 °C (18 и 54 °F) выше T _S может наблюдаться второй режим течения. По мере того, как активизируется большее количество центров зародышеобразования, повышенное образование пузырьков вызывает интерференцию и коалесценцию пузырьков . В этой области пар выходит в виде струй или колонн, которые впоследствии сливаются в пробки пара.

Взаимное влияние густонаселенных пузырьков тормозит движение жидкости вблизи поверхности. На графике это наблюдается как изменение направления градиента кривой или перегиб кривой кипения. После этой точки коэффициент теплопередачи начинает уменьшаться по мере дальнейшего повышения температуры поверхности, хотя произведение коэффициента теплопередачи и разности температур (тепловой поток) все еще увеличивается.

Когда относительное увеличение разницы температур уравновешивается относительным уменьшением коэффициента теплопередачи, достигается максимальный тепловой поток, что наблюдается по пику на графике. Это критический тепловой поток. В этой точке максимума образуется значительное количество пара, что затрудняет непрерывное смачивание жидкостью поверхности для получения тепла от поверхности. Это приводит к уменьшению теплового потока после этой точки. В экстремальных значениях наблюдается пленочное кипение, обычно известное как эффект Лейденфроста .

Процесс образования пузырьков пара внутри жидкости в микрополостях, прилегающих к стенке, если температура стенки на поверхности теплопередачи поднимается выше температуры насыщения, в то время как основная часть жидкости ( теплообменника ) переохлаждается . Пузырьки растут, пока не достигнут некоторого критического размера, после чего они отделяются от стенки и переносятся в основной поток жидкости . Там пузырьки схлопываются, поскольку температура основной части жидкости не так высока, как на поверхности теплопередачи, где они образовались. Это схлопывание также отвечает за звук, который издает чайник во время нагрева, но до температуры, при которой достигается закипание основной части.

Теплопередача и массообмен при пузырьковом кипении оказывают существенное влияние на скорость теплопередачи. 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 .

Эффект пузырькового кипения проявляется в двух местах:

интерфейс жидкость-стенка
интерфейс пузырь-жидкость

Процесс пузырькового кипения имеет сложную природу. Ограниченное количество экспериментальных исследований предоставило ценные сведения о явлениях кипения, однако эти исследования часто предоставляли противоречивые данные из-за внутреннего пересчета (состояние хаоса в жидкости не применимо к классическим термодинамическим методам расчета, поэтому дают неверные возвращаемые значения) и не предоставили окончательных выводов для разработки моделей и корреляций. Явление пузырькового кипения все еще требует большего понимания. ^[1]

Корреляции теплопередачи при кипении

Режим пузырькового кипения важен для инженеров из-за высоких тепловых потоков, возможных при умеренных перепадах температур. Данные могут быть сопоставлены с уравнением вида ^[2]

$\mathrm {Nu} _{b}=C_{fc}(\mathrm {Re} _{b},\mathrm {Pr} _{L})$

Где $Nu$ — число Нуссельта , определяемое как:

$\mathrm {Nu} _{b}={\frac {(q/A)D_{b}}{(T_{s}-T_{\mathrm {sat} })k_{L}}}$

где:

$q / A$ — общий тепловой поток,
$D b$ — максимальный диаметр пузырька при отрыве от поверхности,
$T s - T sat$ – избыточная температура,
$k L$ — теплопроводность жидкости,
$Pr L$ — число Прандтля жидкости,
Re _b — пузырьковое число Рейнольдса , где: $\mathrm {Re} _{b}={\tfrac {D_{b}G_{b}}{\mu _{L}}},$
- $G b$ — средняя массовая скорость пара, покидающего поверхность
- $μ L$ — вязкость жидкости .

Рохсенов разработал первую и наиболее широко используемую корреляцию для пузырькового кипения, ^[3]

${\frac {q}{A}}=\mu _{L}h_{fg}\left[{\frac {g(\rho _{L}-\rho _{v})}{\sigma }}\right]^{\frac {1}{2}}\left[{\frac {c_{pL}\left(T_{s}-T_{\mathrm {sat} }\right)}{C_{sf}h_{fg}\mathrm {Pr} _{L}^{n}}}\right]^{3}$

где:

$c pL$ — удельная теплоёмкость жидкости,
$C sf$ — комбинация поверхностной жидкости, которая меняется для различных комбинаций жидкости и поверхности,
$σ$ — поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-пар.

Переменная $n$ зависит от комбинации поверхностных жидкостей и обычно имеет значение 1,0 или 1,7. Например, вода и никель имеют $C sf$ 0,006 и $n$ 1,0.

Отход от пузырькового кипения

Если тепловой поток кипящей системы выше критического теплового потока (CHF) системы, основная часть жидкости может закипеть, или в некоторых случаях области основной части жидкости могут закипеть, где жидкость движется по небольшим каналам. Таким образом, 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 в канале или поверхности, и тепловой поток резко уменьшается. Пар по существу изолирует основную часть жидкости от горячей поверхности.

Во время DNB температура поверхности должна, следовательно, существенно превышать температуру основной жидкости, чтобы поддерживать высокий тепловой поток. Избежание CHF является инженерной проблемой в теплопередающих приложениях, таких как ядерные реакторы , где топливные пластины не должны перегреваться. DNB можно избежать на практике, увеличив давление жидкости , увеличив ее расход или используя более низкотемпературную основную жидкость с более высоким CHF. Однако, если температура основной жидкости слишком низкая или давление жидкости слишком высокое, пузырьковое кипение невозможно.

DNB также известно как переходное кипение , нестабильное пленочное кипение и частичное пленочное кипение . Для кипения воды, как показано на графике, переходное кипение происходит, когда разница температур между поверхностью и кипящей водой составляет приблизительно от 30 до 130 °C (от 54 до 234 °F) выше T _S . Это соответствует высокому пику и низкому пику на кривой кипения. Низшая точка между переходным кипением и пленочным кипением является точкой Лейденфроста .

При переходном кипении воды образование пузырьков происходит настолько быстро, что на поверхности начинает формироваться паровая пленка или одеяло. Однако в любой точке поверхности условия могут колебаться между пленочным и пузырьковым кипением, но доля общей поверхности, покрытая пленкой, увеличивается с увеличением разницы температур. Поскольку теплопроводность пара намного меньше, чем у жидкости, коэффициент конвективной теплопередачи и тепловой поток уменьшаются с увеличением разницы температур.

Смотрите также

Ссылки

^ «Изучение теплопередачи при пузырьковом кипении в условиях пониженной гравитации», д-р Дэвид Ф. Чао и д-р Мохаммад М. Хасан, Управление наук о жизни и микрогравитации и их применения, НАСА .
^ "Incropera, Frank. Основы тепло- и массообмена. 6-е издание. John Wiley and Sons, 2011". {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
^ Джеймс Р. Уэлти; Чарльз Э. Уикс; Роберт Э. Уилсон; Грегори Л. Роррер., «Основы переноса импульса, тепла и массы», 5-е издание, John Wiley and Sons