Конвективный теплообмен в процессах кипения рабочих веществ

Для начала процесса кипения жидкого холодильного агента внутри каналов испарителя необходим перегрев жидкости в пограничном слое выше температуры насыщения, а также наличие центров парообразования (впадины, канавки, царапины на внутренних стенках испарителя). Чем больше активных центров парообразования, тем интенсивнее происходит процесс кипения, поэтому коэффициент теплоотдачи при кипении зависит, в частности, от шероховатости поверхности теплообмена.

В испарителях бытовых холодильных установок происходит кипение жидкости в большом объеме внутри каналов при вынужденной конвекции.

При кипении жидкости в большом объеме коэффициент теплоотдачи зависит от ее физических свойств, свойств системы жидкость - поверхность теплообмена, температуры кипения, разности температур Q или плотности теплового потока q.

Основными видами кипения жидкости являются пузырьковый и пленочный режимы.

При повышении температуры жидкости в пограничном с твердой поверхностью слое в отдельных точках на твердой поверхности возникают, растут, а затем отрываются паровые пузырьки, т.е. развивается пузырьковый режим кипения. С повышением передаваемой теплоты отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, который периодически прорывается в объем жидкости. Пузырьковый режим кипения отличается высокой интенсивностью теплоотдачи при сравнительно небольших температурных напорах.

Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, обволакивающей эту поверхность и отделяющей ее от жидкости, называется пленочным кипением. При пленочном кипении жидкость не соприкасается с поверхностью теплообмена, отделяясь от нее тонкой пленкой пара с низкой теплопроводностью. Этот тип кипения жидкостей характеризуется большими значениями разности температур поверхности теплообмена и жидкости и относительно низкими коэффициентами теплоотдачи.

В общем случае теплота через пленку может передаваться путем теплопроводности, конвекции и теплового излучения. 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 снижению интенсивности переноса теплоты за счет конвективного теплообмена.

При кипении холодильного агента виспарителях бытовых холодильниковнаблюдается, как правило, пузырьковый режим кипения.

В испарителях могут наблюдаться три основные области с разной структурой потока по длине: область подогрева или экономайзерный участок, область кипения или испарительный участок и область перегрева образовавшегося пара. Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением и объемным кипением насыщенной жидкости.

При кипении в вертикальных каналах участок трубы с объемным кипением насыщенной жидкости включает в себя области эмульсионного, пробкового или снарядного и кольцевого или стержневого режимов кипения.

В эмульсионном режиме двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней мелких пузырьков пара. С дальнейшим увеличением паросодержания некоторые из пузырьков сливаются, образуя крупные пузырьковые пробки, соизмеримые с диаметром трубы.

	Рис. 1 - Режимы течения двухфазного потока в вертикальных каналах: а - пузырьковый; б - снарядный; в - эмульсионный; г - дисперсно-кольцевой.
	Рис. 2 - Режимы течения двухфазного потока в горизонтальных каналах: а - расслоенный; б - волновой; в - пузырьковый; г - снарядный; д - эмульсионный; е - дисперсно-кольцевой.

При пробковом режиме пар движется в виде отдельных крупных пузырьковых пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. Пробковый или снарядный режим течения имеет место при умеренных значениях паросодержания и скорости циркуляции.

С повышением паросодержания происходит слияние крупных пузырьков и образование дисперсно-кольцевой или стержневой структуры потока, при которой в ядре сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы - тонкий кольцевой слой жидкости. Толщина этого слоя постепенно уменьшается по мере повышения паросодержания потока, после полного испарения жидкости эта область переходит в область перегрева паров с дисперсным режимом.

При кипении в горизонтальных каналах кроме изменения структуры потока по длине имеет место изменение структуры по поперечному сечению трубы. Если скорость циркуляции и и содержание пара в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в ее верхней части.

При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С последующим увеличением содержания пара и скорости волновое движение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а затем - к кольцевому.