Техника - молодёжи 1955-04, страница 18

Кому не приходилось видеть, как кипит жидкость! С процессом кипения мы встречаемся всюду —и дома, и в лаборатории, и на заводе.

Столь привычное явление — кипение — совсем, однако, уж не такой простой процесс, каким он кажется на первый взгляд.

Взять хотя бы появление пузырьков, которые сигнализируют, что нагреваемая жидкость закипела. Где и как образуются эти пузырьки? Опытами установлено, что паровые пузырьки зарождаются главным образом на стенках нагреваемого сосуда. Какими бы гладкими стенки сосуда ни казались, на них всегда имеются мельчайшие бугорки и углубления, измеряемые микронами. Они-то и служат центрами образования пузырьков. И только в том случае, если в нагреваемой жидкости оказываются твердые или газообразные частички, они при некотором перегреве жидкости также могут стать центрами зарождения пузырьков.

В физике известен специально поставленный интересный опыт. Медленно и осторожно, без сотрясений нагревали весьма чистую воду в стеклянном сосуде с очень гладкими стенками. Температуру довели до 180°, а никаких признаков кипения не было.

Возможно и другое явление. При интенсивном нагреве в тонком слое жидкости, прилегающем к нагреваемой стенке сосуда, возникают мельчайшие пузырьки пара, хотя основная масса жидкости еще не нагрелась до температуры кипения. Эти пузырьки, вырастая, попадают своей верхней частью в более холодные слои жидкости и конденсируются.

Известно, что на подогрев килограмма воды от 0 до 100° расходуется 100 больших калорий, но чтобы путем кипения испарить это количество воды, приходится затратить значительно больше тепла — около 540 больших калорий. В крупных выпарных системах, в котлах мощных электростанций количество тепла, расходуемое на парообразование, исчисляется десятками и сотнями миллионов больших калорий в час. Чтобы обеспечить подведение такого огромного количества тепла, необходимы большие теплообменные поверхности.

Передача тепла газов топок к воде в котлах происходит через стенки труб. В зависимости от принятого способа обогрева кипящая жидкость может находиться внутри или снаружи труб. В современных котлах трубы обогреваются горячими газами снаружи, а вода циркулирует внутри труб.

Техника поставила перед физикой новые задачи. В котельных установках случаются аварии из-за пережога труб. Как избежать аварий? Физики занялись более детальным изучением передачи тепла в процессе кипения. Исследования вскрыли интересные явления, позволившие не только лучше разобраться в механизме кипения, но и по-новому использовать найденные закономерности в некоторых промышленных аппаратах.

Изучение теплообмена при кипении началось лет двадцать назад. Обширные и всесторонние исследования этого явления проводятся в Советском Союзе. В ряде наших институтов созданы крупные установки, позволяющие изучать процесс кипения под высоким давлением и при больших скоростях движения жидкости.

Однако первоначальные основные закономерности механизма кипения были вскрыты на сравнительно простых, небольших установках.

Познакомимся с одной из них. В стеклянном сосуде, наполовину наполненном водой, горизонтально натянута проволока, по которой проходит электрический ток. Сопротивление, включенное в цепь, позволяет менять в ней силу тока в широких пределах. Вначале по цепи пускают небольшой ток. Проволока нагревается, тепло передается воде, и нагретые струи ее поднимаются кверху, создавая циркуляцию жидкости вокруг проволоки. Через некоторое время на проволоке в нескольких точках появляются пузырьки. Они постепенно растут и вытягиваются кверху. Потом пузырьки диаметром в несколько миллиметров отрываются и всплывают на поверхность воды. Но это еще не кипение. Пузырьки наполнены воздухом, который обычно растворен в воде и выделяется

Кандидат технических наук Е. КАЗАКОВА

при нагревании. При увеличении силы тока в цепи подогрев усиливается и число воздушных пузырьков сначала растет, они окружают всю проволоку. Но затем их становится меньше, через некоторое время они исчезают совсем. Это объясняется тем, что большая часть растворенного в воде воздуха уже выделилась. С дальнейшим подогревом возникает новое явление. В установке появляется шум, подобный тому, какой мы слышим в чайнике или самоваре, когда в нем закипает вода. Почему возникает этот шум?

Оказывается, на проволоке теперь образуются микроскопические пузырьки пара размером не более десятых и даже сотых долей миллиметра. Очертания этих пузырьков простым глазом рассмотреть не удается, так как они непрерывно и с большой скоростью пульсируют, не выходя за пределы тонкого слоя жидкости, прилегающего к проволоке. Чтобы разобраться в механизме этого явления, пришлось применить киносъемку со скоростью 20 тыс. кадров в секунду.

При быстрой пульсации пузырьков возникает характерный шум, предшествующий кипению.

По мере приближения к температуре кипения частота пульсации уменьшается, размеры пузырьков увеличиваются, и они, оторвавшись от нагреваемой проволоки, всплывают вверх. Поднимаясь к поверхности жидкости через менее нагретые слои, пузырьки охлаждаются, сокращаются в размерах, многие из них вовсе исчезают.

Вот, наконец, термометр, погруженный в воду, показывает температуру кипения. Теперь всплывающие пузырьки не только не уменьшаются, но даже значительно возрастают в своих размерах. Происходит это потому, что при кипении в жидкости устанавливается температура несколько выше температуры кипения. Перегрев составляет всего лишь около полградуса, но его оказывается достаточно, чтобы оторвавшийся от проволоки пузырек размером в 1—2 мм за секунду подъема через слой жидкости успевал вырасти в шесть-семь раз по диаметру.

Исследованиями установлено, что тепло в первую очередь передается от нагревающейся поверхности к омывающей ее жидкости, а от нее — к паровому пузырю.

Пузырьки возникают, растут и отрываются от нагретой поверхности; это вызывает интенсивное перемешивание жидкости, способствует теплоотдаче. Обычные механические мешалки не могут создать такого идеального перемешивания жидкости вблизи нагретой стенки, как это делают сами пузырьки.

С повышением силы тока в цепи число пузырьков, образующихся на проволоке, увеличивается, интенсивность кипения возрастает. До каких же пределов можно повышать нагрузку?

Оказывается, наступает момент, когда неожиданно, без всяких предварительных внешних признаков наступает кризис. Вдруг какой-нибудь из участков проволоки раскаляется. Объясняется это тем, что с ростом числа пузырьков наступает такой момент, когда они сливаются в сплошной паровой слой. Он, как муфта, обволакивает проволоку и преграждает доступ жидкости к поверхности нагрева. Благодаря этому резко снижается отвод тепла от проволоки, и она мгновенно раскаляется.

В 1934 году японский ученый Широ Нукияма впервые провел опыт с нагретой проволокой, подобный тому, который мы описали выше, и установил существование кризиса в процессе кипения. Этот кризис наступал при температуре проволоки, близкой к 125°. При дальнейшем даже незначительное увеличение силы тока, протекающего по проводнику, вызывает неожиданное повышение — скачок температуры проводника до 1000°!

Однако если начать постепенно охлаждать проводник от температуры 1000°, то удается понизить температуру лишь до 300°. При дальнейшем понижении температуры проводника ниже 300° температура скачкообразно падает до 115—120°.

16