Теплообмен при захолаживании криогенных систем

Кипение есть процесс образования пара вследствие превращения жидкой фазы в газообразную при подводе тепла или изменении давления. На практике встречаются различные виды кипения, из которых наиболее распространенными являются пузырьковое кипение и пленочное кипение. Они подразделяются на кипение при свободной конвекции, называемое также кипением в большом объеме, и кипение при вынужденной конвекции. В свою очередь, эти виды кипения также подразделяются, в зависимости от условий осуществления процесса: кипение при температуре насыщения или в условиях недогрева жидкости.

Термин «пузырьковое кипение» относится к случаю, когда образование пара происходит в виде пузырьков в центрах парообразования на поверхности нагрева, находящейся в жидкости. Если кипение имеет место в большом объеме или сосуде, при движении жидкости только вследствие естественной конвекции и перемешивания, вызванного движением пузырьков пара, такой процесс называется кипением при естественной конвекции или кипением в большом объеме.

Чаще всего при кипении в большом объеме температура жидкости равна или немного выше температуры насыщения, соответствующей давлению в системе, и процесс кипения в этом случае называется кипением насыщенной жидкости в большом объеме. Пузырьки, образующиеся на нагретой поверхности, растут по мере того, как они поднимаются в этой слегка перегретой жидкости и разрушаются на свободной поверхности жидкости (рис. 1, а). Таким образом, в системе происходит генерация пара.

Если созданы условия для поддержания температуры жидкости в сосуде ниже температуры насыщения при отсутствии вынужденной конвекции, то в системе происходит кипение в большом объеме с недогревом. Степень недогрева определяется как разность между температурой насыщения и среднемассовой температурой жидкости (т. е. ). В этом случае пузырьки растут в примыкающем к поверхности нагрева слое перегретой жидкости, однако, быстро конденсируются вблизи или на поверхности по мере проникновения в недогретую жидкость, поэтому кипение в недогретой жидкости также называют местным или поверхностным кипением (рис. 1, б).

Пузырьковое кипение при вынужденной конвекции происходит, когда жидкость течет около сильно нагретой поверхности; при этом пузырьки образуются в центрах парообразования на горячей поверхности. В этих условиях часто возникает кипение с недогревом, поскольку в ядро потока непрерывно поступает недогретая жидкость, как показано на рис. 2, а.

Кипение насыщенной жидкости при вынужденной конвекции, или объемное кипение, происходит, когда температура в ядре потока движущейся жидкости равна температуре насыщения или немного превышает ее (рис. 2,б).В этом случае могут существовать многочисленные различные режимы течения парожидкостного потока, в которых действуют разные механизмы теплоотдачи.

Пленочное кипение представляет собой другую разновидность кипения, которая встречается как при естественной, так и при вынужденной конвекции. Этот механизм кипения характеризуется образованием пленки пара, обладающей большим тепловым сопротивлением, которая препятствует контакту жидкости с поверхностью нагрева и передаче энергии к жидкости. Большие паровые пузыри отделяются от волнистой поверхности раздела жидкость-пар и либо поднимаются в насыщенной жидкости, либо конденсируются в недогретой жидкости. При пленочном кипении в условиях вынужденной конвекции в трубе движение жидкости происходит в центральном ядре, отделенном от стенок кольцевым слоем пара.

В начальный момент захолаживания

При захолаживании происходит взаимодействие жидкости с поверхностью в следующей последовательности: плёночное кипение, пузырьковое кипение, конвекция. До 90% времени захолаживания занимает плёночное кипение.