Если температура поверхности теплообмена превышает температуру насыщения, то центры парообразования могут генерировать паровую фазу в том случае, когда основная масса жидкости недогреть до температуры насыщения.
Кипение холодной жидкости называется поверхностным кипением, так как при этом процесс испарения локализуется непосредственно в пристеночной перегретом слое. В пределах пристенного перегретого слоя температура жидкости меняется от температуры стенки до температуры насыщения. За его пределами температура жидкости меньше температуры насыщения.
При малой толщине перегретого слоя паровые пузырьки, образующиеся на поверхности теплообмена частично соприкасаются с холодной жидкости. Поэтому при поверхностном кипении одновременно могут происходить два процесса: испарение жидкости у основания пузырька и конденсация пара на той ее части, которая находится за пределами перегретого слоя. Объем пузырька увеличивается до тех пор, пока приращение массы пары вследствие испарения dmвип. будет больше убыль массы пара при ее конденсации dmконд. Когда скорость конденсации (dm / dt) конд становится равной скорости испарения (dm / dt) вып., Рост паровой пузырьки прекращается.
Скорость конденсации зависит не только от площади поверхности пузырька, выступающая за пределы перегретого пристенного слоя, но и от значения недогрева жидкости до температуры насыщения:
Dtнед = tн - tp (25.1)
где tp - середньомасова температура жидкости, определяется из уравнения теплового баланса без учета теплоты, идущей на испарение части жидкости. Например, при кипении в трубах значение tp в сечении, который находится на расстоянии х от входа в трубу, определяется из уравнения:
(25.2)
где tвх - температура жидкости на входе в трубу.
При прочих равных условиях с увеличением Dtнед в процессе массообмена между холодным ядром потока и перегретым слоем к стенке проникает более холодная жидкость, в связи с чем уменьшается толщина пристенного перегретого слоя Dпер и соответственно скорость испарения. Скорость конденсации при этом увеличивается как в результате роста градиента температуры у поверхности пузырька за чертой перегретого слоя, так и вследствие уменьшения величины Dпер.
При больших значениях Dtнед, паровые пузырьки образующиеся на стенке разрушаются еще до отрыва от поверхности теплообмена. В этих условиях толщина перегретого слоя Dпер и двухфазного dдв слоя очень малы. Измерения температурного поля в потоке не догритои воды при ее кипении в условиях вынужденного движения показали, что даже на расстоянии 0,1 мм от обогревающей поверхности температура жидкости может быть существенно меньше температуры насыщения. При прочих равных условиях толщина перегретого слоя (и соответственно двухфазного) уменьшается с увеличением скорости, так как увеличение турбулентности потока приводит к интенсификации массообмена между холодным ядром потока и перегретым слоем, а также к глубокому проникновению холодной жидкости к стенке. При больших подогрева ядра потока паровые пузырьки, не отрываясь от стенки, скользят вдоль ее поверхности до момента разрушения, то есть к полной конденсации. Скорость их скольжения составляет примерно 0,8 ... 0,85 от средней скорости жидкости.
По мере перегрева основной массы жидкости скорость конденсации уменьшается и паровые пузырьки растут до размеров, при которых возможен их отрыв от стенки. В этом случае конденсация пузырьков происходит в холодном ядре потока и чем меньше недогрев, тем большей становится толщина двухфазного пристенного слоя. При определенном значении Dtнед паровые пузырьки движутся в холодном ядре потока по всему сечению канала. Об этом свидетельствуют непосредственные измерения среднего действительного объемного паросодержание j в потоке не догритои жидкости, а также измерения интенсивности теплообмена и гидродинамическое сопротивление. Высокие значения j при х <0 не могли бы быть в потоке, если бы область двухфазной течения ограничивалась тонким пристенным слоем.
На рис.25.1 приведен распределение коэффициентов теплоотдачи по длине парогенерирующей трубы, к которой поступает недогреть вода. Эти данные получены при условии, что процесс парообразования не влияет на интенсивность теплообмена при кипении, поэтому рост коэффициента теплоотдачи по ходу потока в данном случае происходит только вследствие увеличения действительной скорости жидкой фазы w, непосредственно связанной с j.