Rodzaje wrzenia

W stanie nasycenia temperatury cieczy i pary są jednakowe, jeżeli obie fazy pozostają w równowadze cieplnej. Proces wrzenia nie jest jednak pro-cesem równowagowym: do miejsca zmiany stanu skupienia doprowadzone być musi ciepło parowania, a to oczywiście wymaga spadku temperatury.

Tak więc podczas wrzenia temperatura cieczy jest zawsze wyższa (cho-ciażby o ułamek kelwina) od temperatury nasycenia.

Za wrzenie właściwe uważa się proces, w którym na powierzchni grzej-nej tworzą się pęcherzyki pary. Wymaga to odpowiedniej, minimalgrzej-nej gęs-tości strumienia cieplnego.

Przy słabszym grzaniu mamy do czynienia z tzw. parowaniem kon-wektywnym lub powierzchniowym. W cieczy mamy wówczas rozkład temperatury pokazany na rys.5.24.

R ys . 5 . 2 4 Roz k ła d t e m pe r a t u r y w c i e c z y p o d c z a s p a r o wa n i a p o wi e r z c h n i o we g o

Nad powierzchnią grzejną tworzy się warstwa graniczna o dużym spad- ku temperatury i grubości rzędu 1 mm. W rdzeniu cieczy temperatura jest prawie stała (w wyniku działania prądów konwekcyjnych). Natomiast w warst-wie przypowarst-wierzchniowej temperatura znowu silniej spada i osiąga na samej powierzchni temperaturę tak nieznacznie większą (np. o 0,03 K dla wody pod ciśnieniem 100 kPa abs.) od temperatury nasycenia, że można ją praktycznie uważać za równą temperaturze pary.

W wyniku takiego rozkładu temperatury ciepło przenoszone jest od po-wierzchni grzejnej do popo-wierzchni cieczy i tu „zużywane” do zmiany stanu skupienia. Parowanie odgrywa tu jedynie rolę ujemnego źródła ciepła na wierzchchni cieczy. Odgrywa ono taką samą rolę jak np. chłodzenie tej po-wierzchni lub wypromieniowanie z niej ciepła. Opisany proces jest w swej istocie zwyczajną konwekcją, jaka występuje w przestrzeni ograniczonej.

Współczynnik przejmowania ciepła α oblicza się w sposób poznany już przy konwekcji swobodnej. Używa się do tego odpowiedniej różnicy tempe-ratur: (t w - t f), (t f - t s) lub ( t w – t s) - zależnie od tego, która część procesu, odbywającego w wodzie, nas interesuje.

Wrzenie pęcherzykowe. Z obserwacji wrzenia w zbiorniku wiadomo, że pęcherzyki pary tworzą się tylko na powierzchni grzejnej i to w pew-nych jej miejscach, a liczebność tych miejsc wzrasta z rosnącą gęstością strumienia cieplnego _q.

Po osiągnięciu średnicy rzędu kilku milimetrów pęcherzyk odrywa się i wznosząc się w przegrzanej cieczy powiększa wielokrotnie swoją objętość wskutek parowania cieczy do jego wnętrza.

Tak więc przenoszenie ciepła przy wrzeniu odbywa się przede wszyst-kim między ścianką a cieczą. Nawet wtedy, gdy w początkowej fazie pę-cherzyk rośnie na ściance, energia cieplna wytworzonej pary pochodzi głównie z cieczy.

. Wznoszące się w cieczy pęcherzyki mieszają intensywnie ciecz i przyczyniają się do wyrównania temperatury w niej. Rozkład tempera-tury w tym przypadku podaje rysunek 5.25.

R ys. 5. 2 5. Ro zk ła d t e m p e r a t u r y w c ie c z y p o d c z a s p a r o wa n i a pęc h e r z yk o we g o

W porównaniu z rys. 5.24 zwraca tu uwagę znacznie większy spa-dek temperatury przy ściance w porównaniu ze spadkiem przy samej powierzchni cieczy (pomiar przebiegu temperatury na samej powierzchni uniemożliwiają ruchy pęcherzyków). Ciecz w całej objętości jest prze-grzana, przez co możliwe jest wspomniane parowanie do wnętrza pęche-rzyków w czasie ich wznoszenia ku powierzchni cieczy. W ten sposób realizuje się tak zwane w r z e n i e o b j ę t o ś c i o w e czyli n a s y c o -n e .

Jeżeli ciecz jest przegrzana tylko w pewnej warstwie w pobliżu ścianki, to po wyjściu ze strefy przegrzania pęcherzyki stopniowo zaninikają. Jest to tak zwane w r z e n i e l o k a l n e albo p r z e c h ł o d z o -n e .

Ciśnienie wewnątrz pęcherzyka jest większe od ciśnienia cieczy w tym miejscu o pewną wielkość ∆pσ równoważącą działanie napięcia powierzchniowego, które stara się zmniejszyć pęcherzyk (podtrzymuje więc istnienie swobodnej powierzchni pęcherzyka).

Początkowo wznoszące się pęcherzyki są kuliste, potem, po powięk-szeniu objętości, przyjmują postać grzyba.

R ys . 5 . 2 6 S c h e m a t y wr z e n i a : o b jętoś c i o we g o ( a ) i l o k a l n eg o ( b )

R ys . 5 . 2 7 a ) s iły dz iałając e n a pęc he r z yk p a r y, b ) z a r o d k i pęc h e r z yk ó w w s z c z e l in a c h .

Równowaga siły napięcia powierzchniowego działającego na obwo-dzie: 2π·R·σ i siły wypadkowej (pionowej) od wewnętrznego nadciśnie-nia działającego na półkulę: πR²·∆pσ prowadzi do zależnosci:

(5.109) z której widać, że przy tworzeniu pęcherzyka, kiedy R ≈ 0, konieczne by-łyby ogromne nadciśnienia dla pokonania napięcia powierzchniowego i zainicjowania wzrostu pęcherzyka. A że, jak wykazały obserwacje, para wewnątrz pęcherzyka ma temperaturę nasycenia odpowiadającą panują-cemu w nim ciśnieniu, konieczne byłyby niezwykle wysokie przegrzania cieczy.

Jeżeli więc są na powierzchni grzejnej mikroskopijne nierówności o skoń-czonym promieniu zaokrąglenia Ro , to mogą i będą się na nich tworzyć pęcherzyki i to już przy niewielkich przegrzaniach cieczy.

Zwiększanie temperatury ścianki powoduje, że do tworzenia pęche-rzyków włączają się nierówności o mniejszym promieniu i tak stopnio-wo aktywizuje się coraz większa część powierzchni grzejnej.

Średnica pęcherzyka w chwili oderwania się go od ścianki zale-ży poza napięciem powierzchniowym od siły wyporu proporcjonalnej do różnicy gęstości cieczy i pary: (ρ' - ρ") i od zwilżalności powierzchni scharakteryzowanej kątem β^*) (rys.5.28). Wynosi ona w cieczy nieporu-szającej się:

(110)

przy czym: β podstawia się tu w stopniach.

________________

*) Powierzchnia jest zwilżalna, gdy β < 90^o, a niezwilżalna dla β > 90°.

R ys 5 . 2 8 Kąt z wi lż enia

Wielkość:

(5.111)

stanowiąca tzw. stałą L a p l a c e ' a używana jest jako charakterystyczny w y m i a r l i n i o w y w liczbach kryterialnych wyrażających podobieńs-two procesów wrzenia.

Wrzenie błonowe W miarę wzrostu temperatury ilość miejsc na powierzchni grzejnej „produkujących” pęcherzyki pary rośnie do tego stop-nia, że sąsiednie pęcherzyki łączą się tworząc coraz większe płaskie pę-cherze, a w końcu rozległą błonę parową, która izoluje powierzchnię grzejną od cieczy wskutek stosunkowo małej przewodności cieplnej pa-ry. W urządzeniach technicznych wrzenie błonowe jest więc niepożąda-ne, a np. w parownikach kotłów parowych wręcz niebezpieczne: wtedy bowiem, wskutek braku chłodzenia ścianki przez wodę, temperatura ścian- ki silnie wzrasta, jej wytrzymałość spada i ścianka może ulec znisczeniu.

Wszystkie opisane rodzaje wrzenia można zaobserwować pod-czas doświadczenia na zbiorniku z wodą pod ciśnieniem np. atmosfe-rycznym i poziomą rurką, w której umieszczono grzejnik elektryczny.

Doprowadzona do grzejnika moc elektryczna równa jest doprowadzo-nemu strumieniowi ciepldoprowadzo-nemu Q , a po podzieleniu przez powierzchnię rurki A otrzymuje się gęstość strumienia cieplnego _q.

Przy pomocy umieszczonej w ściance rurki termopary mierzy się temperaturę ścianki tw.

Rezultaty eksperymentu dla ciśnienia atmosferycznego przedstawia (w skali logarytmicznej!) rys. 5.29.

R ys.5.29 Zale ż noś ć gęs t ości strumienia cieplnego od przegr zania ∆ t, cieczy na ś c i anc e

W miarę wzrostu doprowadzanej mocy elektrycznej wzrasta tempe-ratura ścianki. Na wykresie jest to nadwyżka tej temperatury nad tem-peraturą pary nasyconej: (t w – t s). Rośnie też gęstość strumienia ciepl-nego q .

Wrzenie pęcherzykowe zaczyna się przy nadwyżce temperatury ścian-ki wynoszącej ok. 5 K. Maksymalna, tzw. krytyczna, gęstość strumienia cieplnego: _qkrI ≈ 1,3·10⁶ W/m² występuje przy: ( t w – t s) ≈ 25 K. Jest to tzw. k r y z y s w r z e n i a p ę c h e r z y k o w e g o albo pierwszy kryzys wrzenia. Dalszy wzrost temperatury ścianki powoduje przeskok (przy qkrI = const) do wrzenia błonowego, w którym ciepło przenoszone jest głównie przez promieniowanie, a temperatura ścianki gwałtownie pod-nosi się o wiele set kelwinów - obserwuje się rozżarzenie ścianki do czer-woności. Jeżeli nie nastąpi zniszczenie ścianki przez przepalenie, a dopro-wadzaną elektryczną moc grzejną będzie się zmniejszać, to gęstość strumienia i temperatura ścianki będą maleć Wtedy po osiągnięciu tzw. k r y -z y s u w r -z e n i a b ł o n o w e g o , c-zyli drugiego kry-zysu wr-zenia. nastąpi powrotny przeskok do wrzenia pęcherzykowego

Jeżeli grzanie jest inne niż elektryczne, tak że temperatura ścianki nie może wzrastać nieograniczenie (w praktyce do tzw. przepału tj. do znisz-czenia ścianki), jak to się dzieje przy grzaniu skraplającą się parą o od-powiednio wyższej temperaturze, to po osiągnięciu pierwszego kryzysu wrzenia gęstość strumienia cieplnego będzie spadać, a wrzenie przyjmie charakter p r z e j ś c i o w y , tzn. tworząca się błona parowa staje się nie-stateczna i nie zajmuje jeszcze całej powierzchni (kreskowana część krzy-wej). Dopiero po ustabilizowaniu się błonki i następnie wzroście tempe-ratury ścianki , a z nim promieniowania ciepła przez błonkę parową, stru-mień cieplny może ponownie wzrastać.

W urządzeniach technicznych działających w podwyższonej tempe-raturze niedopuszczalne jest przekroczenie krytycznej gęstości strumie-nia cieplnego q ze względu na niebezpieczeństwo zniszczenia ścian-_krI ki, a w urządzeniach działających w niższych temperaturach jest to nie-pożądane ze względu na obniżenie α i _q, a więc wydajności urządze-nia (np. wyparnego).

Krytyczna gęstość strumienia cieplnego zależy od materiału ścianki, ciśnienia i oczywiście od rodzaju cieczy. Dla wody na ściance stalo-wej można ją określić np. z następującego wzoru N. Zubera:

(5.112)

Wpływ materiału ścianki ilustruje poniższe zestawienie dla wody pod ciśnieniem atmosferycznym.

Powierzchnia grzejna:

z miedzi

z miedz chromowanej ze stali

drut platynowy

Współczynnik przejmowania ciepła α przy wrzeniu pęcherzykowym wyznacza się z danych doświadczalnych uzyskanych w sposób zbliżo-ny do opisanego wyżej. Znając z nich gęstość strumienia cieplnego _q

i różnicę temperatur (t w – t s ) można wyznaczyć współczynnik przejmo-wania ciepła:

(5.113)

W ten sposób z wykresu 5.29 otrzymuje się wykres 5.30.

Przebieg krzywej wrzenia pęcherzykowego jest dość regularny i dla różnych cieczy otrzymuje się wyrażenie:

(5.114)

w którym n = 0,6...0,8.

albo:

(5.115)

Między stałymi w równaniach (5.114) i (5.115) istnieją przy uwzględnie- niu wzoru (5.113) zależności:

(5.116)

R ys.5.30 Zale ż noś c i α od przegrzania cieczy na ś c i a n c e ∆t d la ciś nień: 1 0 0 k P a i 10 M P a.

Wartości stałych C i n zależą poza rodzajem cieczy od materiału ścianki i warunków hydromechanicznych, w szczególności od tego, czy wrzenie ma miejsce w warunkach k o n w e k c j i s w o b o d n e j czy w warunkach k o n w e k c j i w y m u s z o n e j (podczas przepływu cieczy).