Теплоотдача при фазовых переходах
Особенности теплоотдачи при кипении. Кипением называют процесс парообразования
в жидкости, перегретой выше температуры насыщения, при котором паровые
пузырьки образуются в отдельных точках твердой поверхности нагрева –
центрах парообразования. Этими центрами являются микровпадины шероховатостей
стенки и мельчайшие твердые частицы. Максимальный перегрев жидкости,
равный температурному
напору 
, наблюдается
у поверхности нагрева. Чем больше перегрев жидкости 
, тем меньше минимальный радиус возникающего
на поверхности нагрева парового пузырька: 
, где 
− поверхностное натяжение на границе “пар −
жидкость”. Этот радиус определяет порядок размеров тех элементов шероховатостей,
которые могут быть центрами парообразования. Таким образом, увеличение
перегрева приводит
к уменьшению размеров 
и к появлению все большего количества действующих центров парообразования.
Пузырьки растут на поверхности нагрева и отрываются от нее при достижении
размера 
. Через некоторое
время 
в этом месте
появляется новый пузырек и цикл повторяется. Произведение (м) на частоту отрыва 
характеризует среднюю скорость роста паровых
фрагментов на поверхности нагрева 
.
За счет выталкивания паровыми фрагментами перегретой жидкости из
пристенного слоя и «организации» подтекания к стенке более холодной
жидкости (ячеистая циркуляция кипящей жидкости), переноса тепла от стенки
паровыми пузырьками и турбулизации ими жидкости в пристенном слое обеспечивается
высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости.
По существе, этот эффект можно объяснить минимилизацией толщины пристенного
пограничного слоя в дифференциальном уравнении теплоотдачи (135) 
, следовательно 
. Интенсивность парообразования при
кипении характеризуется величиной 
, где 
− плотность теплового потока при кипении жидкости
в большом объеме. Следовательно, температурный напор 
при теплоотдаче одновременно является и определяющим
параметром перегрева кипящей жидкости.
Плотность теплового потока 
, отводимого от греющих источников (парогенераторов
ядерных реакторов, криогенных систем и др.), может быть весьма высокой
(
Вт/м2 ) при умеренных
температурных напорах (
), и этот процесс часто используют для отвода больших
тепловых потоков на относительно малых по площади поверхностей нагрева.
На рис.17 представлена зависимость от при кипении в большом объеме.
Рис.17 – Характер зависимости 
при кипении.
С повышением температурного напора интенсифицируется пузырьковое
кипение и плотность достигает величины 
Вт/м2. При определенном максимальном перегреве 
наступает первый кризис кипения: при
паровые пузырьки на
поверхности нагрева сливаются в сплошной паровой слой, оттесняющий жидкость
от стенки (пленочное кипение). Вследствие более низкой теплопроводности
пара 
и прекращения
действия «кипящего» эффекта теплоотдача резко снижается. При минимальной
плотности , когда вся
стенка покрыта пленкой, наступает второй кризис кипения (перегрев жидкости
в этой области достигает сотен градусов), момент перехода пузырькового
кипения в пленочное может сопровождаться разрушением поверхности теплообмена.
В связи со сложностью процесса кипения существуют различные формулы
для определения коэффициента теплоотдачи 
, обобщающие результаты теоретических
и экспериментальных исследований. Для области пузырькового кипения 
расчетные формулы представляют в виде
(145)
где, согласно опытным данным, для различных жидкостей 
. Например для кипения воды при давлении
бар применяют формулу,
Вт/м2К:
, (146)
где 
− в бар,
-в Вт/м2.
При вынужденном течении кипящей жидкости в трубах интенсивность теплообмена
определяется соотношением влияния собственного процесса парообразования
() и вынужденной конвекции
(
). Если скорость течения
мала, то интенсивность
теплоотдачи определяется главным образом процессом кипения. Для расчета
коэффициента теплоотдачи 
при течении кипящей жидкости в каналах применяют интерполяционную
формулу:
, (147)
где − искомый
коэффициент теплоотдачи; и − соответственно коэффициенты теплоотдачи при вынужденном
течении «некипящей» жидкости в трубе и при пузырьковом кипении, когда
влияние скорости отсутствует. Пределы применимости формулы ограничены
величиной объемного паросодержания 
.
Следует заметить, что все обобщенные уравнения вследствие статистической
природы процесса кипения и неопределенности взаимосвязи между свойствами
жидкости и поверхности нагрева характеризуют средний уровень теплоотдачи
в пределах погрешности 30…40 %.