О кривой кипения воды при атмосферном давлении

УДК 536.248.2.001.24

О КРИВОЙ КИПЕНИЯ ВОДЫ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Е. В. Анохина

Представлены результаты экспериментального исследования кривой кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении. Опыт показывает, что форма кривой кипения зависит от материала тепловыделяющего элемента. Разрушение нагревателя не всегда соответствует кризису кипения. Поэтому явление кризиса кипения и пережог тепловыделяющего элемента необходимо разделять

Ключевые слова: кривая кипения, кризис кипения

Увеличение абсолютной величины плотности теплового потока, отводимого от поверхности нагрева испарителя очень важно, т. к. способствует уменьшению размера испарителя при фиксированной мощности, а также уменьшает требуемое время производства пара. Поэтому исследование процесса кипения является актуальной задачей.

Предотвращение разрушения поверхностей нагрева и аварий, связанных с тем, что была достигнута критическая тепловая нагрузка при кипении жидкостей, очень важно в связи с широким использованием этого процесса в различных отраслях промышленности, особенно в энергетике. Так, при кризисе кипения твэл ядерного реактора расплавляется, что неизбежно ведет к катастрофе. Поэтому важно не допускать критической тепловой нагрузки и исследовать ее абсолютную величину, а также факторы, влияющие на тепловую нагрузку при кипении жидкостей, в том числе и на ее максимальную величину.

Как известно из работы Нукияма [1], тепловая нагрузка имеет максимум на кривой кипения q=f(T) (см. рис. 1), где q — тепловая нагрузка, Т — температура поверхности нагрева. Определение этого максимального (критического) значения тепловой нагрузки qкр очень важно, особенно если нужно контролировать скорость парообразования. Данная работа является отчетом об экспериментальном определении этой величины при различных материалах нагревателя.

На рис. 1. представлена кривая кипения жидкостей в виде схемы. На участке АВ теплообмен происходит с помощью теплопроводности и конвекции, и пузырьки не образуются. При увеличении тепловой нагрузки на центрах парообразования начинается пузырьковое кипение (точка В). С ростом Т активизируется все большее число центров парообразования и устанавливается развитое пузырьковое кипение (отрезок ВС).

По мере увеличения тепловой нагрузки цепочки из паровых пузырьков сливаются в струи

Анохина Елена Викторовна—РГАСХМ, канд. техн. наук, доцент, E-mail: anohina@donpac.ru

пара, а при значительном увеличении тепловой нагрузки поверхность раздела струй пар-жидкость становится неустойчивой. В точке С механизм кипения резко преобразуется, вследствие чего возникает кризис теплоотдачи и достигается предельная (максимальная) или критическая тепловая нагрузка [2].

Рис. 1. Схема кривой кипения жидкости

Если поверхность нагревать электрическим током, то независимой контролируемой переменной будет тепловая нагрузка д. В таких системах незначительное повышение д в точке С вызывает резкий скачок температуры от ее значения в точке С до значения в точке Н. Многие поверхности нагрева при этом не выдерживают дальнейшего увеличения температуры и плавятся. Часть кривой СБ является неустойчивой и практически не осуществляется на практике. При понижении тепловой нагрузки (после сильного нагревания) на отрезке ЕББ с достижением точки Б температура будет быстро понижаться до значения, соответствующего точке Б.

Перед началом опытов мы также хотели найти ответ на вопрос — можно ли считать точку перегорания поверхности нагрева кризисом кипения. В современной литературе мы не нашли на него ответ. Часто эти два понятия смешиваются и не различаются.

В качестве рабочей жидкости была взята дистиллированная вода. Ее температура поддерживалась электронагревателем при 100 оС. Тепловыделяющий элемент - это металлическая проволока длиной 20 мм из меди, вольфрама, нихрома. Температура ядра жидкости

фиксировалась ртутным термометром по Бекману с ценой деления 0,1 оС. Электропитание опытного нагревателя осуществлялось постоянным током от батареи аккумуляторов с напряжением 12 В. Ток и падение напряжения на опытном нагревателе фиксировалось самописцем типа Н3030. Тепловая нагрузка в ходе опытов определялась по следующей формуле:

- Ш =

q = 5 ~ псИ ’

где и — падение напряжения на цилиндрическом нагревателе, В; I — ток нагрева, А; 5 — площадь нагревателя, м2; С - диаметр нагревателя, м; I — длина нагревателя.

Температура твэла определялась по градуировочной зависимости сопротивления нагревателя от его температуры. На рис. 2 представлена электрическая схема

измерительного моста. Это мост одинарный, четырехзажимная схема подключения для измерения сопротивлений от 10-4 до 102 Ом. Определить величину измеряемого

сопротивления Кх можно по следующей формуле:

Кх -

где N — отношение сопротивлений плеч отношения, Ом; КМ — величина сопротивлений плеча сравнения, Ом; Лм=(Лср+Л0), здесь К0=0,015 Ом — начальное сопротивление плеча сравнения.

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная моста. КА, КВ — плечи отношения; Кср — плечо сравнения; Кд —добавочный резистор; ИП1 —

гальванометр; Т1, Т2 — токовые зажимы; п1, п2 — потенциальные зажимы

Рис. 3—5 — это графики зависимости тепловой нагрузки q от температуры твэла Т для опытов с различными металлическими проволоками. Кривые были начерчены следующим образом: прямая линия соединяла между собой каждые две соседние точки. Последняя точка на каждом графике соответствует пережогу нагревателя. Как

показывают опыты, существует некоторый статистический разброс среди каждой серии данных для одинакового диаметра и материала поверхности нагрева.

На рис. 3—5 представлены результаты экспериментов по определению параметров кривых кипения на различных металлических нагревателях.

90 100 110 120 130 140 150 Т,°с160

Рис. 3. Кривая кипения воды, полученная на медном нагревателе диаметром 100 мкм при атмосферном давлении. Выполнено 4 серии опытов

В различных опытах при одинаковом материале поверхности нагрева кривые кипения могут иметь разные положения кривых ВС (рис. 1) из-за изменения температуры поверхности нагрева от точки к точке. По достижению в эксперименте точки С металлическая проволока перегорает. Но из опыта установлено, что некоторые проволоки расплавлялись после достижения ими точки С — в точке Е. Этот экспериментальный факт иллюстрируют рис. 3— 5. Так на рис. 3—4 представлены опытные кривые кипения, полученные на медной проволоке диаметрами 100 мкм, а также на вольфрамовой проволоке диаметром 90 мкм. Каждый опыт, представленный на этих графиках заканчивался пережогом нагревателя в точке С (рис. 1) при сравнительно низких температурах 128—152 оС, далеких от температуры плавления меди (1083 оС) и вольфрама (3420 оС). Каждая кривая кипения сопровождалось максимальной тепловой нагрузкой, лежащей в пределах 820—1541 кВт/м2.

Рис. 4. Кривая кипения воды на вольфрамовом нагревателе диаметром 90 мкм. Выполнено 7 серий опытов

На рис. 5 представлены опытные графики, полученные на поверхностях нагрева из нихрома диаметром 100 мкм. Процесс кипения на этом нагревателе продолжается до точки Е, в которой происходило расплавление металлической проволоки. Разрушение проволоки из нихрома диаметром 100 мкм (рис. 5) имело место и при более низких температурах по сравнению с температурой плавления нихрома Тш (1390 оС), но большая часть опытов завершалась при температуре, близкой к Тпл и тепловых нагрузках в пределах 2080-2834 кВт/м2.

Рис. 5. Кривая кипения воды на твэле из нихрома диаметром 100 мкм. Выполнено 8 серий опытов

Важно заметить, что на кривых кипения (рис. 5) отсутствует отрезок СБ. Процесс кипения с ростом тепловой нагрузки развивается от точки С к точке Н и далее до Е. При достижении точки С малейшие увеличение плотности теплового потока ведет к резкому, скачкообразному возрастанию температуры поверхности нагрева вплоть до точки Н, а иногда и до Е. Так авторы [3,4] отождествляет пережог тонкого цилиндрического нагревателя с кризисом кипения, т. е. с точкой С на рис. 1. Причем, они не указывает материал поверхности нагрева.

Результаты опытов на твэлах из нихрома (рис. 5) показывают, что разрушение элемента происходит не в точке С, а в точке Н или, скорее, в Е. Поэтому смешивать «точку выгорания» нагревателя и кризис кипения нельзя.

В широко известном учебнике по теории теплообмена [3] по поводу способа фиксации кризиса теплоотдачи сказано на с. 309: «При кипении на тонкой проволоке пузыри обволакивают в месте своего возникновения весь нагреватель, чем резко ухудшают локальный теплообмен и вызывают пережог, отождествляемый с кризисом кипения». Т.е, кризис кипения и пережог (разрушение) нагревателя тождественны в [3]. Далее приводится полная картина влияния размеров нагревателя на первый критический тепловой поток при кипении насыщенной и недогретой жидкости в условиях свободной конвекции по данным [5].

В работе [5] применялась аналогичная методика определения критической

(максимальной) тепловой нагрузки: «При

достижении критического теплового потока в опытах на воде рабочие участки Б<1,5 мм, как правило, перегорали. На поверхностях нагрева с Б>2,0 мм значение qкр определялось по покраснению рабочего участка». Здесь Б — диаметр цилиндрического нагревателя. Т. е., температура поверхностей нагрева в случае контролируемой тепловой нагрузки при кризисе кипения не контролировалась. Хотя в указанной диссертации применялись тепловыделяющие элементы из различных материалов: проволоки из вольфрама, платины, нихрома, трубки из нержавеющей стали и нихрома, пластины из нержавеющей стали и нихрома.

Отождествление критической тепловой нагрузки с разрушением нагревателя в корне неверно. Сравнивать данные по qкр, полученные при кипении на поверхностях нагрева из разнородных металлов нельзя. В таком случае методика измерения этой величины должна включать контроль температуры нагревателя. Иначе окончательные результаты будут неверными.

Таким образом, экспериментально показано, что материал поверхности нагрева оказывает значительное влияние на форму кривой кипения. Опытные данные показывают, что разрушение тепловыделяющего элемента не всегда соответствует кризису кипения (точка С). Чтобы знать, достигнута критическая тепловая нагрузка qкр или нет, необходимо знать температуру поверхности нагрева. В точке С, приходящейся на максимум кривой кипения, происходит локальный пережог нагревателей из медной и вольфрамовой проволоки при Т=128—152 оС. Для тепло-выделяющих элементов из нихрома в точке

Е твэл расплавляется при температуре, близкой к температуре плавления металла 7=1216—1330 оС.

Для атмосферного давления при контролируемой тепловой нагрузке существует некоторое кипения критическое значение тепловой нагрузки дкр на кривой кипения. Абсолютная величина дкр для всех размеров и материалов тепловыделяющего элемента определении экспериментально и приходится на интервал 779—1541 кВт/м2. Этим значениям критической тепловой нагрузки соответствует температурный промежуток 128—152 оС.

Литература

1. Nukiyama S. Maximum and minimum values of the heat transmitted from metal to boiling water under atmospheric pressure // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1984. Vol. 27. № 7. P. 959—970.

2. Анохина Е. В. Критическая тепловая нагрузка при насыщенном кипении жидкостей// Инженернофизический журнал. 2008. Т. 81. №2. С.59—63.

3. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. — 415 с.

4. Лабунцов Д. А. Исследование теплообмена и критических тепловых нагрузок при кипении жидкостей в условиях свободного движения на поверхностях из различных материалов/ Труды ЦКТИ, «Котлотурбострое-ние». Ленинград, 1965. Вып. 58. С. 35—46.

5. Гогонин И.И. Экспериментальное исследование влияния гидродинамических и геометри-ческих параметров на теплообмен при пленочной конденсации пара и на кризис кипения в условиях свободной конвекции. Дис. ...докт. техн. наук. Новосибирск, АН СССР СО Ин-т теплофизики, 1983. —346 с.

Ростовская-на-Дону государственная академия сельскохозяйственного машиностроения

ABOUT BOILIG CURVE OF THE WATER AT THE ATMOSPHERIC PRESSURE E.V. Anokhina

The boiling curve of the liquids at atmospheric pressure with pool boiling is experimentally investigated. The experiment show that the boiling curve depends from the metal of the heater. The melting of the heater is not in accordance with the boiling crisis

Key words: boiling curve, boiling crisis