Существует два характерных вида кипения: кипение в большом объеме и кипение при вынужденном движении (кипение жидкости в трубах). В данной работе мы рассматриваем первый случай кипения при этом в природе существует два режима кипения: пузырьковое и пленочное.
На практике пузырьковое кипение встречается намного чаще.чем пленочное. Пузырьковый режим характеризуется высокими коэффициентами теплоотдачи и соответственно высокой способностью к отводу тепла при малой разнице температур жидкости и стенки. Однако при высоких значениях теплового потока поверхность нагрева уже не способна обеспечивать столь же эффективный отвод тепла, что ведет к отрыву поверхности парообразования от поверхности нагрева и образует между ними слой пара, который и называется паровой пленкой. Теплопроводность пара намного меньше, чем теплопроводность жидкости, потому как при низких давлениях и одинаковой температуре у этих двух фаз существенно различаются плотности. Резкий рост термического сопротивления системы ведет к резкому повышению температуры поверхности нагрева, при том же отводимом тепловом потоке.
В данной работе наблюдение за пленочным режимом кипения происходит следующим образом: медная болванка, заключенная в оболочку из нержавеющей стали помещается в печь и греется там до 450-500 С. Наличие у поверхности изначально высокой температуры, при погружении в воду, приводит к мгновенному образованию вокруг нее паровой пленки. Чтобы тепло не тратилось на подогрев воды до температуры насыщения, близ поверхности, воду, в которую погружают исследуемый образец, предварительно доводят до кипения, т.е. «догревают» до температуры насыщения.
Процесс остывания образца в кипящей жидкости характеризуется тем, что происходит при постоянной температуре охлаждающей среды, а режим пленочного кипения характеризуется постоянным значением коэффициента теплоотдачи, что является граничными условиями для регулярного режима охлаждения первого рода
В охлаждаемом теле связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке где происходит процесс теплопроводности, устанавливается уравнением теплопроводности. Для тела, в котором отсутствуют источники тепла, оно принимает вид:
, (1)
Решение задачи об охлаждении тел приводит к понятию темпа охлаждения:
, (2)
где ; - средняя температура тела в момент времени τ; - температура окружающей среды.
Левая часть определяет относительную скорость изменения температуры, которая при регулярном режиме не зависит от координат и времени и является постоянной величиной. Можно показать, что
(3)
Уравнение (3) выражает закон сохранения энергии для системы, состоящей из охлаждаемого тела и окружающей среды с постоянной температурой tc. Это первая теорема Кондратьева:
Темп охлаждения (нагревания) однородного и изотропного тела при конечном значении коэффициента теплоотдачи пропорционален среднему по поверхности тела коэффициенту теплоотдачи α, площади поверхности тела F и обратно пропорционален его полной теплоёмкости С.
Множитель y называется коэффициентом неравномерности распределения температуры. Смысл величины y состоит в отношении средней температуры поверхности тела к температуре тела, усреднённой по всему объёму
Процесс охлаждения нагретого медного образца до 450-500С в нагретой до 100 С воде происходит при плёночном кипении воды на его поверхности с постоянным и относительно не высоким коэффициентом теплоотдачи (Рис. 1 и Рис. 2). Поэтому величина y близка к 1. При переходном режиме кипения коэффициент теплоотдачи значительно возрастает, что приводит к резкому уменьшению температуры стенки tc образца и, следовательно, к увеличению неравномерности температурного поля в образце. При этом y < 1.
А.В. Лыковым было показано регулярный режим определяется не только определёнными температурными полями, возникающими в нагреваемом или охлаждаемом теле, но и потоками тепла через его поверхность. Поэтому при охлаждении медного образца нет необходимости различать регулярные режимы первого, второго и третьего рода. В качестве общего свойства теплового регулярного режима можно принять соотношение
, (4)
где -средняя по объёму температура тела; tж -температура среды.
Для области плёночного кипении из соотношений (3) и (4) следует, что коэффициент теплоотдачи можно найти из соотношения
. (5)
где Суд – удельная теплоёмкость металла; М – масса образца; 1.
При переходе от плёночного кипения к пузырьковому возрастает средний коэффициент теплоотдачи. Это приводит к понижению температуры поверхности образца и, следовательно, коэффициента неравномерности распределения температуры в образце.
Для переходной области из соотношений (3) и (4) следует
. (6)
.
Если функция непрерывно убывает, а её производная является так же непрерывной функцией, то в точке перегиба кривой темп охлаждения равен
. (7)
Переход от плёночного режима кипения к пузырьковому называют вторым кризисом теплоотдачи при кипении. Минимальная плотность тепловой потока при плёночном кипении называется второй критической плотностью теплового потока .Соответствующий этой величине температурный напор (точка Б на кривой кипения) называется вторым критическим температурным напором . (Рис.1).
Соотношение (7) можно использовать для определения второй критической плотности теплового потока и второго критического температурного напора ,
на основе экспериментальных данных . Температура, соответствующая точке перегиба функции определяет второй критический температурный напор .
Рис. 1.
Рис 2.