Типы кипения — кипение в большом объеме

Процессы кипения протекают по этому типу, если поверхность теплопередачи погружена в относительно большой объем неподвижной жидкости. Перемешивание жидкости происходит лишь за счет естественной конвекции и движения пузырьков. Примером может служить кипение воды в обычной кастрюле или кипение на поверхности погруженной в жидкость горячей проволоки, такое устройство часто используется для изучения процесса кипения в большом объеме.

На рис. 1А показано изменение теплового потока от горячей проволоки по мере увеличения разности температур между проволокой и жидкостью. Из этого графика следует, что теплообменник следует конструировать так, чтобы температура кипения была близка к точке 4, т.е. к точке максимального теплового потока. Эту точку обычно называют кризисом кипения. Основным механизмом теплоотдачи в данной зоне является пузырьковое кипение.

Образование пузырьков начинается не в жидкости, а в активных центрах парообразования на поверхности теплоотдачи. Это объясняется тем, что для поддержания пузырька против действия сил поверхностного натяжения, которые стремятся его уничтожить, требуется значительно больший перегрев в случае свободного пузырька, чем в случае пузырька, прикрепленного к центру парообразования. Поверхностное натяжение увеличивает давление в свободном пузырьке, в результате пар конденсируется и пузырек захлопывается.

Центрами парообразования могут быть высокоэнергетические группы молекул, полости, образованные инородными примесями, загрязнения, местные деформации и напряжения и т.д. Вероятно, наилучшим центром парообразования может служить коническое углубление на поверхности.

Количество центров парообразования, а также интенсивность образования на них пузырьков является функцией свойств поверхности, теплового потока, давления и физических свойств жидкости. Вообще говоря, грубая поверхность, например, корродированная сталь, дает более высокий коэффициент теплоотдачи, чем гладкая поверхность, например, стекло или, тем более, тефлон. Исследовались различные методы обработки поверхности для увеличения количества центров парообразования и, соответственно, коэффициента теплоотдачи. Это может быть пескоструйная обработка пластин из нержавеющей стали или напыление расплавленной меди либо других металлов на поверхность нержавеющей стали.

Вначале эффект значителен, но со временем, как правило, характеристики ухудшаются, вероятно, по причине загрязнения, которое деактивирует центры парообразования. Изменения с течением времени характеристик испарителей в некоторых случаях объясняется изменением качества поверхности. Тонкая пленка масла может сделать поверхность гладкой и тем самым уменьшить коэффициент теплоотдачи (одновременно увеличив загрязнение). Отложение частиц, образующихся при механическом износе системы, может увеличить количество центров парообразования и этим улучшить коэффициент теплоотдачи.

Масло, растворенное в хладагенте, может увеличить коэффициент теплопередачи. С увеличением концентрации масла в хладагенте коэффициент теплоотдачи сначала увеличивается (до концентрации масла 3-5%), затем начинает уменьшаться. Улучшение теплоотдачи можно объяснить уменьшением поверхностного натяжения раствора, что способствует активизацию большего количества центров парообразования. При более высоких концентрациях масла преобладает другой эффект — снижение коэффициент теплоотдачи из-за увеличения вязкости.

К сожалению, очень трудно предсказать изменение коэффициента теплоотдачи по изменению условий пузырькового кипения. Даже для самых лучших корреляций ошибки могут достигать нескольких сотен процентов. Более того, очень трудно точно определить состояние поверхности. Небольшие отклонения в обработке материалов, из которых выполнены поверхности нагрева, могут несколько видоизменить структуру поверхностей, вызвать разную степень окисления; хранение при разных условиях может повлиять на степень коррозии и т.д. К счастью — с точки зрения конструктора — данный механизм кипения обычно редко используется в промышленности, особенно в испарителях холодильных установок.