Коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м2К), – это коэффициент пропорциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи.
Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от большого числа различных факторов: а) физических свойств жидкости; б) чистоты жидкости; в) ее температуры и давления; г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообмена; д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности; е) величины перегрева жидкости и т.п. Поэтому определение коэффициента теплоотдачи при кипении – весьма трудная задача.
Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по поверхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи
a=Q/(F×Dtc), (5)
то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при температурном напоре в 10C (1 К).
Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на основе экспериментального определения величин Q, F и Dtc.
Режимы кипения (теплоотдачи)
Физический механизм кипения и интенсивность теплоотдачи зависят от величины перегрева стенки (4). Выделяют три основных режима кипения: пузырьковый, переходный и пленочный (рис.2).
Пузырьковый режим
Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначительном перегреве жидкости, «работают» лишь крупные центры парообразования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют радиус меньше критического. С увеличением перегрева жидкости активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.
В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро увеличивается (см. рис.2, область 2). Коэффициент теплоотдачи (a) достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м2К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара.
Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.
Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, которые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву Dtс жидкости и давлению pн. В силу этого средний коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле вида
a=C1×(Dtс)n×pнz, (6)
или после подстановки условия (3) в виде Dtс=q/a получим:
a=C2×qm×pнk, (7)
где C1, C2, k, z, m, n – эмпирические постоянные; Dtс – перегрев стенки, 0С; рн – давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар; q – поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2.
Формулу (6) используют в расчетах пузырькового кипения при граничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (4), а формулу (7) применяют в расчетах кипения при граничных условиях второго рода (регулируемая (заданная) величина – плотность теплового потока (q) на поверхности стенки).
Рис. 2. Кривые теплоотдачи при кипении
1 – конвективная область без кипения; 2 – область пузырькового кипения; 3 – переходная область; 4 – область пленочного кипения; 5 – участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 – соответственно точки первого и второго кризисов кипения