При достижении температурой стенки, омываемой потоком воды, некоторого значения, превышающего температуру насыщения для данного давления на определенную величину Δtн.к, имеет место образование на поверхности пузырьков пара — процесс кипения. Перегрев Δtн.к, при котором начинается кипение, зависит от параметров потока (скорости, температуры, давления), материала и состояния поверхности (краевой угол смачивания, шероховатость), наличия растворенных или взвешенных примесей. Для чистых, смачивающих поверхность жидкостей из анализа условий роста пузырьков пара на элементах шероховатости и профиля температуры в жидкости предложена [16] зависимость
(3.39) справедливая для всех жидкостей при условии наличия широкого спектра активных центров парообразования. В реальных парогенераторов водяного пара это требование, как правило, выполняется. При специальной обработке поверхностей (полирование, обезгаживание) или при кипении жидких металлов фактические перегревы могут превышать расчетные из-за отсутствия или подавления активных центров парообразования. В этом смысле формула (3.40) дает нижнюю границу перегревов, необходимых для начала кипения.
Удобно определять границу начала пузырькового кипения не через температуру поверхности tст (обычно эта величина заранее не известна), а в виде зависимости между недогревом жидкости до температуры насыщения и плотностью теплового потока:
(3.40)
Существует множество рекомендаций, которые можно разделить на две группы. К первой группе относятся соотношения, полученные совместным решением уравнения (3.39) или его модификации с уравнением конвективного теплообмена:
В результате получаем:
(3.41)
Окончательные выражения зависят от того, какая принята зависимость для αконв, а это принципиального значения не имеет. Ко второй группе относятся рекомендации, использующие факт плавного изменения коэффициентов теплообмена при переходе от конвекции к поверхностному кипению (рис. 3.3). Считая некоторое отклонение от чистой конвекции значимым, соответствующие этому отклонению условия принимаются за условия начала кипения. Очевидно, определенная таким образом граница в достаточной мере условна. Ниже мы сможем убедиться в том, что для задачи расчета теплообмена не столь существенно точное знание границы начала пузырькового кипения.
Плавное изменение коэффициента теплообмена при переходе от конвекции к кипению дает основания для построения расчетных формул в виде интерполяционных функций, обеспечивающих соответствующие предельные переходы.
Рис. 3.3. Кривая кипения при вынужденно и движении недогретой жидкости: 1—точка начала поверхностного кипения; 2— начало влияния кипения на теплообмен; 3 — условная граница между конвекцией и кипением; 4 — начало развитого кипения
(3.42) Одно из таких соотношений, опирающееся на обширный экспериментальный материал для разных жидкостей в широком диапазоне недогревов, предложено в [17]:
tст—ts— температурный напор, соответствующий кипению с недогревом; (tст—ts)р.к— температурный напор, соответствующий развитому кипению;
Δq= q—αконв(ts —tж); ts — tx — недогрев до температуры насыщения; αконв — коэффициент теплоотдачи при чистой конвекции. При достаточно больших q и малых недогревах обеспечивается равенство tст—ts=(tст—ts)р.к, соответствующее развитому кипению. При ∆q=Q обеспечивается tст=ts, что соответствует отсутствию кипения.
При достаточно больших паросодержаниях необходимо учитывать возрастание скорости с ростом паросодержания и изменение структуры двухфазного потока. Это можно сделать непосредственно по (3.46), если определить соответствующим образом αконв. Более простой и распространенный в практических расчетах теплообменного оборудования путь — использование эмпирических соотношений. В частности, ЦКТИ рекомендовано соотношение
(3-47) где αр.к=0,7αоб; αоб, αтр определяются по (3.45) и (3.46); wсм — скорость смеси, определяемая по формуле
(3.48)
Зависимость (3.47) может быть применена и для расчета теплообмена при кипении двухфазных потоков в винтовых змеевиках. Для этого достаточно использовать соответствующее значение для αконв·
Физический механизм, с которым связано ослабление влияния теплового потока на коэффициент теплоотдачи в двухфазных потоках с ростом паросодержания, практически одинаков с механизмом влияния скорости при кипении с недогревом: и в том, и в другом случае это связано с подавлением кипения. При дисперсно-кольцевом течении возможно существование так называемого режима испарения при вынужденной конвекции. Этот режим характеризуется наличием тонкой пленки жидкости на теплоотдающей поверхности, причем термическое сопротивление этой пленки настолько мало, что перегрев стенки недостаточен для образования на ней пузырьков пара. Испарение осуществляется с поверхности пленки, а расход в ней поддерживается за счет подпитки каплями жидкости из ядра потока. В случае когда скорость подпитки недостаточна для компенсации испарения, создаются условия для полного высыхания пленки жидкости на стенке канала. Начиная с сечения, в котором стенка канала осушается, наступает ухудшенный теплообмен, интенсивность которого значительно меньше теплообмена при кипении.
