Розділ 23. ПЛІВКОВЕ КИПІННЯ
23.1. Механізм процесу і інтенсивність теплообміну
При плівковому кипінні рідина відокремлена від поверхні нагріву паровою плівкою. На поверхні розділу фаз пара – рідина утворюються і періодично відриваються парові бульбашки. Плівковий режим кипіння характеризується великими перегрівами поверхні нагріву понад температуру насичення рідини. При плівковому кипінні на горизонтальній поверхні нагріву парові бульбашки з певною регулярністю відриваються з окремих точок на поверхні плівки пари. Таку картину не завжди можна спостерігати, але мінімальна відстань між бульбашками дорівнює критичній довжині хвилі на границі розділу фаз пара – рідина, яка знаходиться в постійному коливному русі, при цьому:
(23.1)
При плівковому кипінні на горизонтальних циліндрах картина процесу залежить від співвідношення між діаметром циліндра D і критичною довжиною хвилі. Так при кипінні на циліндрах малого діаметра (D < ℓкр) парова плівка утворює періодичні потовщення (за довжиною циліндра) і має форму близьку симетричної до осі. Для утворення більш правильної форми парового циліндра навколо тонкої дротини мінімальна температура нагріву повинна бути на сотні градусів (500...600 К) більшою за температуру насичення рідини.
Плівкове кипіння на горизонтальних циліндрах з діаметром D » ℓкр характеризується співіснуванням тонкої парової плівки і великих бульбашок, які відриваються від її верхньої частини. При збільшенні діаметра циліндра (D > ℓкр) спостерігається розвиток хвиль і бульбашок і на іншій частині поверхні плівки.
При плівковому кипінні на вертикальних циліндричних поверхнях парова плівка представляє собою набір великих грушовидних бульбашок, які рухаються вгору і розділені короткими ділянками дуже тонкої плівки. При цьому спостерігається інтенсивне коливання локальної товщини парової плівки у довільній точці поверхні нагріву. Для цього випадку виконане узагальнення дослідних даних середній товщині парової плівки`d . Отримане рівняння має наступний вигляд:
(23.2)
де фізичні властивості пари і рідини беруться при температурі насичення.
Розглянуті особливості плівкового режиму кипіння відносяться до стаціонарних умов проходження процесу, коли кожному тепловому режиму відповідає своя, притаманна йому температурна і гідродинамічна обстановка в пристінному шарі рідини. У той же час закономірності розвитку плівкового кипіння в нестаціонарних процесах виділення тепла суттєво відрізняються.
Рис.23.1. Нестаціонарне плівкове кипіння етиленгліколю на вертикальному вольфрамовому дроті D = 0,4 мм при р = 0,69 МВт/м2, при часі t з моменту початку тепловиділення
При стрибковому підвищенні теплового навантаження qе у тонкому елементі нагріву перші парові утворення з моменту видимої стадії представляють собою локальну зростаючу парову плівку, яка майже охоплює дротину (рис.23.1). Парове утворення росте, збільшується до 2...3 мм у поперечнику. Поява парової фази супроводжується значним локальним перегрівом поверхні нагріву. При цьому за рахунок теплопровідності вздовж поверхні нагріву швидко зростає температура по границях парового утворення і на ній ініціюються нові парові центри. Таке явище може відбуватися в одному чи декількох місцях. Плівка розповсюджується по поверхні, обволочуючи її. Відриву парових утворень зразу після їх появи не спостерігається, і тільки через достатньо тривалий час, який значно перевищує час активації центрів пароутворення, парове утворення починає пульсувати і розпочинається стабільне плівкове кипіння.
Суттєвий вплив на інтенсивність теплообміну при плівковому кипінні чинять фізичні властивості киплячого середовища, геометричні розміри і орієнтація поверхні у полі масових сил, тиск і недогрів рідини до температури насичення і багато інших факторів.
Розмір, форма і орієнтація поверхні нагріву визначає режим течії пари у плівці, який може бути ламінарним чи турбулентним. Турбулентний режим руху найбільш характерний для довгих вертикальних напрямків поверхні.
Дослідження плівкового кипіння на поверхнях нагріву різної конфігурації, геометричних розмірів і орієнтації у просторі свідчать про те, що на вертикальних поверхнях вищих 15 мм, горизонтальних пластинах і сферах діаметром D >> ℓкр тепловіддача автомодельна відносно лінійних розмірів.
Рис.23.2. Вплив діаметра горизонтального циліндра на коефіцієнт тепловіддачі при плівковому кипінні ізопропанолу при DТс, К: 1 – 71; 2 – 93; 3 – 120; 4 – 133
Результати досліджень показують, що у випадку горизонтального циліндра коефіцієнт тепловіддачі залежить від діаметра (рис.23.2). Із збільшенням діаметра коефіцієнт тепловіддачі швидко зменшується до мінімального значення, а далі повільно зростає, наближаючись до певного постійного значення. Критичний діаметр (діаметр, що відповідає мінімуму коефіцієнта тепловіддачі) не залежить від різниці температур, а залежить від фізичних властивостей рідини і дорівнює найбільш ймовірній довжині хвилі, рівній 30,5ℓкр.
Тиск і недогрів рідини до температури насичення впливають на теплообмін в одному напрямку. Зростання тиску і недогріву інтенсифікують теплообмін. Дані про залежність інтенсивності теплообміну від тиску отримані в дослідах при кипінні різних рідин на горизонтальних і вертикальних трубках, пластинах і сферах. Збільшення коефіцієнтів тепловіддачі при підвищені тиску викликано збільшенням густини пари у плівці. З ростом DТпер зменшується товщина плівки. Це і інше веде до збільшення інтенсивності теплообміну. Інтенсивність теплообміну збільшується із зростанням прискорення сили тяжіння. Це пояснюється збільшенням підйомної сили, яка викликає підвищення швидкості відведення пари від поверхні нагріву.
Вплив на теплообмін при плівковому кипінні покрить поверхні теплообміну з мало теплопровідних речовин показав, що зарекомендований метод розрахунку тепловіддачі враховує тільки молекулярний перенос тепла, що більш ніж у 1,5 рази зменшує значення товщини плівки. Це значить, що поряд з молекулярною теплопровідністю значний внесок робить конвективна теплопровідність.
Рис.23.3. Вплив товщини d мало теплопровідного покриття, нанесеного на поверхню теплообміну, на інтенсивність теплообміну (вертикальні трубки 5,8ґ 0,4 мм) при d,мкм: 1 – 0; 2 – 5; 3 – 25; 4 – 30; 5 – 50
Виявлено, що із збільшенням товщини покриття при кипінні фреону спостерігається збільшення коефіцієнта тепловіддачі (рис.23.3). Дію мало теплопровідних покрить на плівкове кипіння можна пояснити наступним чином. Нанесення мало теплопровідних покрить на стінку нагріву веде до зменшення інтенсивності коливного руху плівки пари і зменшенню її товщини. Внаслідок більш упорядкованих коливань границі розділу фаз пара – рідина трохи зменшується внесок конвективного переносу тепла через плівку пари і значно підвищується внесок переносу тепла теплопровідністю. Останнє і обумовлює збільшення коефіцієнта тепловіддачі при плівковому кипінні на поверхнях з покриттям. При збільшенні температури поверхні нагріву вплив мало теплопровідних покрить на тепловіддачу зменшується (див. рис.23.3).
На цей час отримано ряд співвідношень для розрахунку інтенсивності тепловіддачі при плівковому кипінні в умовах вільного руху рідини. Одне з перших співвідношень отримане Л.Бромлі для кипіння на горизонтальних циліндрах. Ним отриманий вираз для визначення коефіцієнта тепловіддачі при плівковому кипінні, аналогічне формулі В.Нуссельта для плівкової конденсації пари:
(23.3)
де
Тепловіддачу випромінюванням можна враховувати за допомогою виразу:
(23.4)
де s – стала Стефана-Больцмана; С – коефіцієнт випромінювання, який залежить від геометрії, взаємного положення і властивостей поверхні. Загальний коефіцієнт тепловіддачі буде
a = aс + aвип.
Вважається, що у тих випадках, коли можна знехтувати теплообміном випромінюванням, матеріал поверхні нагріву практично не впливає на інтенсивність теплообміну при плівковому кипінні.
Закономірності тепловіддачі при плівковому кипінні рідин на вертикальних поверхнях великої довжини мають ряд специфічних особливостей, пов’язаних з характером руху парової фази і взаємодії її з рідиною на границі розділу фаз. На підставі аналізу напівемпіричної теорії теплообміну отримані формули для визначення коефіцієнтів тепловіддачі:
(23.5)
(23.6)
де 
За лінійний розмір приймається середня товщина плівки:
(23.7)
Для розрахунку тепловіддачі при плівковому кипінні у великому об’ємі на вертикальних поверхнях, а також на горизонтальних циліндричних і сферах діаметром D >> ℓкр рекомендується використовувати наступне рівняння:
(23.8)
де 
ℓ0 – капілярна стала.
23.2. Вплив сил гравітації на qкр1
Дослідні значення критичних теплових потоків у залежності від відношення прискорення сили тяжіння в умовах досліду g (коли останнє імітувалося відцентровими силами) до значення прискорення в нормальних умовах g0 наведено на рис.23.4.
Рис.23.4.Залежність qкр1 від g/g0 при кипінні: 1 – етанолу; 2...7 – води на різних поверхнях теплообміну
З рисунка видно, що у залежності
де 
– критичний тепловий потік за умови, що g0 = 9,81 м/с2, показник степеня п знаходиться у межах 0,2...0,25.
23.3. Друга критична густина теплового потоку
Початок зміни режимів кипіння – переходу від плівкового кипіння до бульбашкового – при досягненні параметрів потоку, які відповідають точці D на кривій кипіння (див. рис.20.1), називають другою кризою тепловіддачі при кипінні – кризою плівкового кипіння. Можливість його реалізації визначається гідродинамічними і термодинамічними факторами.
Необхідними умовами виникнення кризи плівкового кипіння є наступне: 1) температура поверхні нагріву Тс у випадку місцевого контакту її з рідиною повинна бути меншою граничної температури можливого перегріву рідини Тгр і 2) парова плівка повинна бути гідродинамічно нестійкою. Якщо спочатку виникає гідродинамічна нестійкість парової плівки, а далі температура поверхні у місці контакту з рідиною стає меншою за Тгр, то кризу плівкового кипіння вважають термодинамічною, а у випадку зворотної послідовності виконання цих умов – гідродинамічною.
Прояв другої кризи теплообміну при кипінні у тому чи іншому варіанті залежить від багатьох факторів: роду рідини, недогріву її до температури насичення та ін. Важливу роль відіграє орієнтація поверхні нагріву (горизонтальне чи вертикальне її розташування) і що криза плівкового кипіння криогенних рідин носить термодинамічний характер.
Гідродинамічний підхід до розв’язку задачі про кризи теплообміну при кипінні був запропонований С.С.Кутателадзе. Такий підхід представляється фізично обґрунтованим і правомірним при рішенні задачі про перехід від плівкового кипіння до бульбашкового. У цьому випадку передбачається існування парової плівки, і з співвідношення діючих сил (динамічних, тяжіння і поверхневого натягу) визначаються умови її стійкості.
Спостереження процесу плівкового кипіння показують, що при теплових потоках, які значно перевищують qкр2, при якому спостерігається перехід від плівкового кипіння до бульбашкового, паровий шар стійкий, і чітко проявляється межа розділу фаз. При зменшенні q спочатку паровий шар починає пульсувати, а далі дуже коливається. І при значеннях q = qкр2 паровий шар руйнується і настає звичайне бульбашкове кипіння.
На рис.23.5 наведені криві зміни критичних теплових потоків qкр1 (рис.23.5,а) і qкр2 (рис.23.5,б) у залежності від тиску при об’ємному кипінні ізооктану на зануреній поверхні; qкр2 тут становить ~ 0,18...0,20 від qкр1.
Рис.23.5. Криві зміни qкр1 (а) і qкр 2 (б) від тиску при об’ємному кипінні ізооктану (масштаби по осях ординат на графіках різні)
Опрацювання дослідних даних, отриманих при плівковому кипінні ряду рідин у залежності Reкр2 = f(Ar) наведена на рис.23.5. Отримана залежність апроксимується рівнянням:
Reкр2 = 0,206Ar0,4, (23.9)
де
Рис.23.6. Залежність Reкр2 від числа подібності Ar при кипінні:1 – п-пропанолу; 2 – метанолу; 3 – 95%-ного етанолу; 4 – чотирихлористого вуглецю; 5 – води; 6 – бензолу
Дослідні дані погоджуються з розрахунковою формулою (23.9) з точністю ±30%.
