Типи кипіння - кипіння у великому обсязі
Процеси кипіння протікають за цим типом, якщо поверхня теплопередачі занурена у відносно великий обсяг нерухомою рідини. Перемішування рідини відбувається лише за рахунок природної конвекції і руху бульбашок. Прикладом може служити кипіння води в звичайній каструлі або кипіння на поверхні зануреної в рідину гарячої дроту, такий пристрій часто використовується для вивчення процесу кипіння у великому обсязі.
На рис. 1А показано зміна теплового потоку від гарячої дроту в міру збільшення різниці температур між дротом і рідиною. З цього графіка випливає, що теплообмінник слід конструювати так, щоб температура кипіння була близька до точки 4, т. Е. До точки максимального теплового потоку. Цю точку зазвичай називають кризою кипіння. Основним механізмом тепловіддачі в даній зоні є бульбашкової кипіння.
Освіта бульбашок починається не в рідини, а в активних центрах пароутворення на поверхні тепловіддачі. Це пояснюється тим, що для підтримки бульбашки проти дії сил поверхневого натягу, які прагнуть його знищити, потрібно значно більший перегрів в разі вільного бульбашки, ніж в разі бульбашки, прикріпленого до центру пароутворення. Поверхневий натяг збільшує тиск у вільному бульбашці, в результаті пара конденсується і бульбашка зачиняються.
Центрами пароутворення можуть бути високоенергетичні групи молекул, порожнини, утворені сторонніми домішками, забруднення, місцеві деформації і напруги і т. Д. Ймовірно, найкращим центром пароутворення може служити конічне поглиблення на поверхні.
Кількість центрів пароутворення, а також інтенсивність утворення на них пухирців є функцією властивостей поверхні, теплового потоку, тиску і фізичних властивостей рідини. Взагалі кажучи, груба поверхню, наприклад, корродировать сталь, дає більш високий коефіцієнт тепловіддачі, ніж гладка поверхня, наприклад, скло або, тим більше, тефлон. Досліджувалися різні методи обробки поверхні для збільшення кількості центрів пароутворення і, відповідно, коефіцієнта тепловіддачі. Це може бути піскоструминна обробка пластин з нержавіючої сталі або напилення розплавленої міді або інших металів на поверхню нержавіючої сталі.
Спочатку ефект значний, але з часом, як правило, характеристики погіршуються, ймовірно, через забруднення, яке деактивує центри пароутворення. Зміни з плином часу характеристик випарників в деяких випадках пояснюється зміною якості поверхні. Тонка плівка масла може зробити поверхню гладкою і тим самим зменшити коефіцієнт тепловіддачі (одночасно збільшивши забруднення). Відкладення частинок, що утворюються при механічному зносі системи, може збільшити кількість центрів пароутворення і цим поліпшити коефіцієнт тепловіддачі.
Масло, розчинена в холодоагенті, може збільшити коефіцієнт теплопередачі. Зі збільшенням концентрації масла в холодоагенті коефіцієнт тепловіддачі спочатку збільшується (до концентрації масла 3-5%), потім починає зменшуватися. Поліпшення тепловіддачі можна пояснити зменшенням поверхневого натягу розчину, що сприяє активізацію більшої кількості центрів пароутворення. При більш високих концентраціях масла переважає інший ефект - зниження коефіцієнт тепловіддачі через збільшення в'язкості.
На жаль, дуже важко передбачити зміну коефіцієнта тепловіддачі зі зміни умов бульбашкового кипіння. Навіть для самих кращих кореляцій помилки можуть досягати декількох сотень відсотків. Більш того, дуже важко точно визначити стан поверхні. Невеликі відхилення в обробці матеріалів, з яких виконані поверхні нагріву, можуть дещо видозмінити структуру поверхонь, викликати різну ступінь окислення; зберігання при різних умовах може вплинути на ступінь корозії і т. д. На щастя - з точки зору конструктора - даний механізм кипіння зазвичай рідко використовується в промисловості, особливо в испарителях холодильних установок.
