Кипение жидкостей рассматривают в большом объеме при свободном движении или в трубах и каналах при вынужденном движении. Интенсивность теплообмена при кипении зависит от природы жидкости и ее теплофизических свойств. Определяющей температурой является температура насыщения.
Ограничимся рассмотрением теплообмена в условиях пузырькового режима кипения.
При кипении в большом объеме и заданной поверхностной плотности теплового потока (тепловой нагрузки поверхности нагрева) рассчитывают теплообмен, используя следующие зависимости:
– при 
; (6.1)
– при 
< 0,01
. (6.2)
В уравнениях приняты обозначения обобщенных переменных:
, (6.3)
Где 
– характерный геометрический размер, пропорциональный критическому диаметру парового пузырька на поверхности нагрева (парообразования), м;
, (6.4)
Где 
– приведенная скорость парообразования, которая характеризует объем пара, образующегося на единице площади поверхности нагрева в единицу времени, м3/(м2 с);
, (6.4а)
Где 
– тепловая нагрузка, Вт/м2;
– удельная теплота парообразования, Дж/кг;
– плотность образующегося пара, кг/м3.
Зависимости (6.1) и (6.2) справедливы при следующих условиях: 
; 
; объемное содержание пара в кипящей жидкости не превышает 70%.
Принято записывать
, (6.5)
Где 
– параметр, зависящий от теплофизических свойств жидкости, м2/Вт.
При кипении в большом объеме и заданном температурном напоре (разности температуры поверхности нагрева и температуры насыщения) используют уравнения:
– при 
; (6.6)
– при 
< 
, (6.7)
Где 
– температурный напор, К;
– параметр, зависящий от теплофизических свойств жидкости, К– 1.
Значения параметров , и приведены для воды в приложении Г в зависимости от температуры насыщения.
Вышеприведенные расчетные зависимости используют при тепловых нагрузках меньше первой критической тепловой нагрузки, при которой наблюдается переход к пленочному режиму кипения. Значение первой критической тепловой нагрузки для воды приведены ниже:
|
|
0,01 |
0,1 |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
4,0 |
10 |
20 |
|
|
0,5 |
1,2 |
2,2 |
2,8 |
3,5 |
4,0 |
4,0 |
2,5 |
, МВт/м2Для определенного рода жидкости коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объеме зависит только от поверхностной плотности теплового потока и давления насыщения. Поэтому используют эмпирические зависимости.
Для воды в диапазоне давлений от 0,1 до 4 МПа получены зависимости
, (6.8)
, (6.9)
Где 
– давление насыщения, МПа;
– тепловая нагрузка, Вт/м2.
При пузырьковом кипении в трубах и каналах учитывают, что теплоотдача определяется как конвекцией жидкости при ее вынужденном движении, так и процессом парообразования в кипящей жидкости.
В случае кипение при объемном паросодержании не более 70 % рассчитывают теплоотдачу следующим образом:
– находят коэффициенты теплоотдачи при вынужденном движении в трубах и при пузырьковом кипении в большом объеме (соответственно 
и 
);
– определяют коэффициент теплоотдачи 
при пузырьковом кипении в трубах:
– при 
принимают = ;
– при 0,5 < 
< 2 вычисляют
; (6.10)
– при 
принимают = .
Для расчета коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубах в условиях турбулентного режима при 
>104 и отношении длины трубы к ее диаметру больше 50 используют формулу
, (6.11)
Где определяющей температурой является средняя температура среды.
Задачи
6.1. Определить коэффициент теплоотдачи от горизонтальной поверхности нагревателя к кипящей воде, находящейся под давлением 0,5 МПа.
Тепловая нагрузка поверхности нагревателя равна 1 МВт/м2.
Решение
Тепловая нагрузка поверхности нагревателя меньше первой критической при том же давлении (см. выше)
Вт/м2 < 
Вт/м2.
Режим кипения является пузырьковым.
При заданном давлении из приложений Б и Д выписываем параметры воды
= 151,84 0С; 
= 1,17 и 
= 0,684 Вт/(м К).
Определяем характеристики теплообмена при кипении воды по приложению Г
м; 
м2/Вт.
Находим по формуле (6.5)
.
Определяем по уравнению (6.1)
.
Коэффициент теплоотдачи исходя из выражения числа 
по уравнению (6.3)
Вт/(м2 К).
6.2. Выполнить расчет в условиях задачи 6.1 по формуле (6.8) и сравнить с результатом предыдущего расчета.
6.3. На поверхности трубчатого электронагревателя с наружным диаметром 38 мм и длиной 1 м кипит вода под давлением 480 кПа. Мощность электронагревателя 14 кВт.
Определить температуру наружной поверхности нагревателя.
6.4. Вода под давлением 1,5 МПа кипит в большом объеме. Тепловая нагрузка нагревателя составляет 1,25 МВт/м2. Определить коэффициент теплоотдачи.
Выполнить расчет по уравнениям (6.1) и (6.8).
6.5. Определить тепловую нагрузку поверхности нагрева при кипении воды в большом объеме, в котором вода находится под давлением 0,62 МПа. Температура поверхности нагрева равна 175 0С.
Решение
При давлении воды = 0,62 МПа выписываем из приложений Б и Д:
= 160 ºС; = 1,1 и = 0,68 Вт/(м К).
Принимаем пузырьковый режим кипения.
Из приложения Г находим
= 0,526 К– 1 и = 
м.
Определяем
.
В таком случае по уравнению (6.6)
.
Коэффициент теплоотдачи
Вт/(м2 К).
Тепловая нагрузка
Вт/м2.
Критическая тепловая нагрузка 
Вт/м2, что значительно больше расчетной в условиях задачи. Режим кипения является пузырьковым.
6.6. Из воды, кипящей в большом объеме, необходимо получить 250 кг сухого насыщенного пара за 1 ч. Найти необходимую поверхность нагрева, если давление пара – 0,8 МПа, а температура поверхности нагрева равна 180 ºС.
6.7. На поверхности провода электрокипятильника происходит пузырьковое кипение воды в большом объеме при давлении 0,15 МПа. Диаметр провода 3 мм, а удельное сопротивление – 
Ом м.
Допустимый перегрев воды равен 20 ºС.
Определить допустимую силу тока.
6.8. В парообразователе с общей площадью поверхности нагрева 12 м2 получают сухой насыщенный водяной пар давлением 0,02 МПа из кипящей воды. Определить паропроизводительность аппарата при температурном напоре на поверхности нагрева равном 17 ºС.
6.9. Вычислить коэффициент теплоотдачи при кипении воды и массу пара, получаемую в испарителе за 1 ч. Общая площадь поверхности нагрева равна 5 м2, перегрев кипящей воды на поверхности нагрева составляет 12 ºС, получаемый пар – влажный насыщенный степенью сухости 0,9, давление пара – 0,17 МПа.
6.10. Определить необходимую площадь испарительной поверхности котла паропроизводительностью 10 т/ч. Давление водяного пара – 1,4 МПа, пар является сухим насыщенным. Температурный напор на поверхности нагрева равен
10 ºС. Расчет выполнить в условиях пузырькового кипения в большом объеме.
6.11. Какой температурный напор необходимо обеспечить в условиях задачи 6.10, чтобы при той же площади поверхности нагрева увеличить паропроизводительность в 2 раза.
6.12. В трубе внутренним диаметром 30 мм и длиной 5 м происходит пузырьковое кипение воды. Скорость воды 1,3 м/с, давление воды 0,2 МПа.
Определить тепловой поток от стенки трубы к воде, приняв температурный напор на поверхности трубы равным 8 ºС.
Решение
Определяем по приложению Д при заданном давлении температуру насыщения = 120 ºС.
Выписываем теплофизические свойства воды при этой температуре:
= 
м/с; 
= 0,686 Вт/(м К); 
= 1,47.
Температура внутренней поверхности трубы 
= 120+8=128 ºС.
При этой температуре 
= 1,38.
Рассчитываем при вынужденном движении воды в трубе:
– число Рейнольдса
– число Нуссельта по уравнению (6.11)
;
– коэффициент теплоотдачи
Вт/(м2 К).
По уравнению (6.9) рассчитываем коэффициент теплоотдачи при кипении воды
Вт/(м2 К).
Вычисляем:
– отношение 
;
– коэффициент теплоотдачи по формуле (6.10)
Вт/(м2 К);
– тепловой поток
(5.12)
Вт = 14,2 кВт.
6.13. В трубе внутренним диаметром 18 мм движется кипящая вода со скоростью 1,5 м/с. Вода находится под давлением 0,79 МПа.
Определить коэффициент теплоотдачи к кипящей воде, приняв температуру внутренней поверхности трубы равной 173 ºС.
6.14. Рассчитать коэффициент теплоотдачи в условиях задачи 5.13, приняв температуру внутренней поверхности трубы равной 180 ºС.
6.15. Определить температуру внутренней поверхности трубы, если тепловая нагрузка поверхности равна 0,5 МВт/м2, скорость кипящей воды – 1,5 м/с, давление воды – 1,26 МПа. Внутренний диаметр трубы равен 38 мм.