5.4. Пленочное кипение жидкости

С увеличением теплового потока до некоторой величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости.

Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, обволакивающей эту поверхность и отделяющей ее от жидкости, называется пленочным кипением. В этих условиях теплота к поверхности раздела фаз поступает через малотеплопроводный слой пара.

Через паровую пленку, кроме теплоты за счет конвекции и теплопроводности, может проходить теплота и за счет лучистого теплообмена.

Поэтому на коэффициент теплоотдачи влияют давление, физические свойства (как и при пузырьковом кипении), а также коэффициенты излучения поверхности теплообмена, поверхности жидкости и излучающие свойства самого пара. Доля лучистого переноса теплоты резко увеличивается по мере увеличения перегрева жидкости.

Обе формы переноса теплоты — конвективным теплообменом и излучением — оказывают взаимное влияние друг на друга. Оно проявляется в том, что пар, образующийся благодаря излучению, приводит к утолщению паровой пленки и соответствующему уменьшению интенсивности переноса теплоты за счет конвекции и теплопроводности.

При пленочном кипении насыщенной жидкости тепловой поток расходуется не только на испарение, но и на перегрев пара в пленке.

При пленочном кипении недогретой жидкости часть теплоты передается в объем жидкости путем конвекции.

Интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении значительно меньше, чем при пузырьковом.

Пленочное кипение наблюдается:

- при закалке металлов в жидкой среде;

- в быстродействующих перегонных аппаратах;

- при кипении криогенных жидкостей;

- при охлаждении ракетных двигателей.

То есть там, где большие тепловые потоки и высокие

Пленочный режим кипения имеет большое практическое значение.

5.4.1. Теплоотдача при ламинарном движении паровой пленки

Расчетные данные для теплоотдачи при пленочном кипении можно получить теоретическим путем. Для этого используется приближенная физическая модель, аналогичная принятой в теории пленочной конденсации. Идентична и исходная система уравнений и условий однозначности.

- уравнение энергии;

- уравнение движения.

Граничные условия:

при и(для стенки);

при и(для границы раздела фаз).

Это означает, что скорости движения жидкости и пара равны друг другу (трением на границе раздела фаз пренебрегаем).

Решение для среднего коэффициента теплоотдачи имеет вид:

- для вертикальной стенки высотой H:

,

- при кипении жидкости на наружной поверхности горизонтального цилиндра диаметром d:

Приведенные зависимости формально совпадают с расчетными уравнениями для теплоотдачи при пленочной конденсации пара на холодной стенке. Учитывается перенос теплоты поперек паровой пленки только путем теплопроводности.

Распределение скорости и температуры по толщине слоя паровой пленки при пленочном кипении имеет следующий вид:

Характер распределения скорости и температуры в паровой пленке аналогичен соответствующим профилям в пограничном слое однофазной жидкости в условиях свободной конвекции.