Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 40

Рис. 75. Режимы кипения

а – пузырьковый; б – переходный; в – пленочный

При больших значениях Dt наступает второй, переходный режим кипения: на самой поверхности и вблизи нее пузырьки сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется, а в отдельных местах возникают «сухие» пятна: их число непрерывно растет, они увеличиваются в размерах по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, т. к. отвод тепла непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Этим и объясняется резкое снижение теплового потока и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

При некотором температурном напоре Dt вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара – наступает пленочный режим кипения. Процесс теплообмена осуществляется путем конвективного теплообмена и теплового излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена достаточно низкая. Паровая пленка испытывает пульсации, пар накапливается в ней и отрывается в виде больших пузырей. В это время тепловой поток, отводимый от поверхности, имеет минимальное значение, количество образующегося пара тоже минимально. Минимальное значение теплового потока называется вторым критическим значением q_кр2. Для воды на технических поверхностях в момент начала пленочного режима  °C, т. е. температура  °C при атмосферном давлении.

Рис. 76. Режимы кипения и критические значения

Таким образом, в зависимости от величины Dt наблюдаются три режима кипения.

Все три режима можно наблюдать в обратном порядке, если раскаленное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вначале охлаждение тела идет медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), и наибольшая скорость охлаждения – в момент пузырькового режима. Этот процесс – нестационарный.

Если же поддерживать подвод тепла через стенку , то t_c и  будут зависеть от режима кипения. Подвод тепла может быть осуществлен стационарно, например, в ядерном реакторе, в случае лучистого теплообмена в топке котла и др. Но процесс кипения в этом случае не будет стационарным, т. к. возникают следующие особенности теплообменного процесса.

1 особенность. При постепенном повышении нагрузки q температурный напор Dt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима. Но новые условия возникают тогда, когда подводимый поток q достигнет значения, равного q_кр1. При любом (даже случайном) изменении q возникает избыток тепла между подводимым от стенки и отводимым в жидкость. Этот избыток вызывает увеличение температуры поверхности t_c – нестационарный разогрев металла стенки. Температура t_c оказывается более высокой, чем t_c.кр1, на поверхности устанавливается переходный режим кипения, и отвод тепла начинает снижаться. В итоге избыток тепла быстро нарастает во времени: за доли секунды температура нарастает на сотни градусов – наступает кризисное состояние, и лишь за счет тугоплавкости стенки кризис проходит благополучно и заканчивается новым стационарным состоянием – режимом пленочного кипения. Это явление на рис. 76 обозначено стрелками как «перескок» с пузырькового режима на кривую пленочного режима. Обычно кризис сопровождается пережогом металла.

2 особенность. Если же кризис состоялся, и металл не разрушился, имеем пленочный режим кипения. При снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться. При достижении q_кр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически смачивать поверхность нагрева, отвод тепла превышает подвод, возникает резкое охлаждение поверхности, носящее кризисный характер (деформирование металла), и при  возникает «перескок» на линию пузырькового кипения.