До цього виду відносяться теплообмін при кипінні і конденсації. Характерною особливістю є утворення нової фази з виділенням (або поглинанням) теплоти фазового переходу.

Теплообмін при кипінні

Кипінням називається процес інтенсивного пароутворення, яке відбувається у всьому об’ємі рідини, перегрітої відносно температури насичення, з утворенням парових бульбашок. Процеси кипіння знаходять своє застосування у теплоенергетиці, хімічній технології, атомній енергетиці та інших областях сучасної техніки.

Кипіння можливе по всьому температурному інтервалі, між потрійною і критичними точками для даної речовини.

Розрізняють кипіння рідини на твердій поверхні теплообміну, до якої ззовні підводиться теплота, і кипіння в об’ємі рідини.

Механізм теплообміну при кипінні відрізняється від механізму тепловіддачі при конвекції однофазної рідини наявністю додаткового переносу речовини і теплоти паровими бульбашками з пограничного шару в об’єм киплячої рідини.

Коментар_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Температура насичення - температура при якій пар речовини при певному парціальному тиску знаходиться в рівновазі з рідиною.

Парціальний тиск - гідростатичний тиск, який мав би компонент газової суміші, якби один займав об’єм, який дорівнює об’єму суміші при тій же температурі; чисельно рівний добутку тиску газової суміші на мольну долю даного компонента).

Потрійна точка - точка на діаграмі стану, що відповідає рівноважному співіснуванню трьох фаз даної речовини: твердої, рідкої і газоподібної.

Критична точка - точка на діаграмі стану одно-чи багатокомпонентних систем, яка характеризується критичними значеннями температури, тиску, густини і складу.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Розрізняють два основні режими кипіння: бульбашковий і плівковий.

Кипіння, при якому пара утворюється у вигляді окремих парових бульбашок,що періодично зароджуються, зростають і відриваються, називається бульбашковим.

Зі зростанням теплового потоку до деякого значення, окремі парові бульбашки зливаються, утворюючи біля поверхні теплообміну суцільний паровий шар, що періодично покриває об’єм рідини. Режим кипіння, який характеризується наявністю на поверхні плівки пари, покриваючої цю поверхню і що відокремлює її від рідини, називається плівковим кипінням.

Інтенсивність тепловіддачі при плівковому кипінні значно менша, ніж при бульбашковому.

Залежність густини теплового потоку від перегріву рідини

Рисунок 1. Крива залежності густини теплового потоку від перегріву рідини

При збільшенні температурного напору тепловий потік проходить через максимум.

Максимуму теплообміну передує конвективна область 1 (Рисунок. 1), що відповідає малим перегрівам рідини, і область розвиненого кипіння 3. Між ними знаходиться область нестійкого кипіння 2.

Вона характеризується малою густиною центрів пароутворення.

Пройшовши максимум, q поступово зменшується по мірі витискання бульбашкового кипіння плівковим. Після перехідної області 4 наступає режим стійкого плівкового кипіння. У цьому режимі на проміжку 5 лучисте перенесення теплоти відносно невелике, а на проміжку 6 воно набуває суттєвих значень.

Приведена крива не охоплює всіх можливих режимів кипіння. Так, при досконалій дегазації системи, а також при кипінні в умовах пониженого тиску може мати місце затягування режиму конвекції до високих перегрівів рідини (крива АБ).

Рисунок 2. До розгляду теплообміну при кипінні

Отже особливістю теплообміну при кипінні є утворення, зростання і відрив бульбашок пари на поверхні теплообміну, приток до місця відриву свіжих порцій рідини, що сприяє інтенсивному перенесенню тепла в приграничному шарі. Бульбашки, утворюються у місцях розрідження молекул (центрах пароутворення), якими є нерівності поверхні, заповнені газом чи паром. Тиск пари всередині бульбашки Pn більший, ніж тиск в навколишній рідині P_ж, на величину , що визначається за рівнянням Лапласа:

, (1)

де - поверхневий натяг, а R - радіус бульбашки. Тому для забезпечення випаровування всередину бульбашки і його росту рідина в приграничному шарі повинна бути перегріта. Збільшення розміру бульбашки приводить до зменшення і, відповідно, перегріву. Тому кожному перегріву відповідає мінімальний радіус R_min, причому, якщо радіус зароджуваного бульбашки R<R_min, то пар всередині цієї бульбашки сконденсується.

Таким чином, центрами пароутворення будуть тільки ті нерівності, які забезпечують радіус R>R_min. Зі збільшенням перегріву рідини і тиску число центрів пароутворення росте і настає момент, коли біля поверхні утворюється суцільна парова плівка, яка є великим термічним опором, і описаний бульбашковий режим кипіння переходить у плівковий режим, який характеризується малими коефіцієнтами тепловіддачі. На рисунку 2 приведена залежність з якої видно, що максимальне значення досягається при критичному тепловому навантаженні , яке характеризує перехід до плівкового режиму (т. А на рисунку 2). Коефіцієнт тепловіддачі залежить від і розраховується, як правило, методом послідовних наближень по приведеним у літературі залежностям.

Кризи кипіння

Кризами тепловіддачі при кипінні називаються процеси, пов’язані з корінною зміною механізму і інтенсивності теплообміну.

Перша криза кипіння

Перша криза має місце на початку переходу бульбашкового кипіння у плівкове. Цей перехід носить риси кризового явища, так як в момент зміни режимів спостерігається різке зниження максимальної тепловіддачі і відповідне підвищення температури поверхні теплообміну.

Підвищення температури в ряді випадків таке велике, що криза кипіння може супроводжуватись розплавленням чи перепалом поверхні теплообміну.

Максимальне теплове навантаження при бульбашковому кипінні називається першою критичною густиною теплового потоку і позначається .

Температурний напір у момент досягнення першої критичної густини теплового потоку називається першим критичним температурним напором . Коефіцієнт тепловіддачі в момент початку кризи кипіння відповідає величині:

(3)

Друга криза кипіння

Друга криза кипіння. Зворотній перехід від плівкового режиму кипіння до бульбашкового, носить назву другої кризи тепловіддачі при кипінні. Цей перехід також носить кризовий характер, тому що при руйнуванні парової плівки і поверненні до бульбашкового кипіння тепловіддача різко підвищується, а температура поверхні відповідно знижується. Мінімальне теплове навантаження при плівковому режимі кипіння називається другою критичною густиною теплового потоку і позначається . Значення при кипінні насиченої рідини у великому об’ємі суттєво менше, ніж . Другі критичні густини теплового потоку залежать від роду рідини, розмірів поверхні, що віддає тепло, тиску, прискорення вільного падіння, шорсткості поверхні і ряду інших факторів. Для води при атмосферному тиску значення на поверхні горизонтальних труб і циліндрів складають Вт/м². Залежність від труб наступна: .

Третя криза кипіння

Безпосередній перехід однофазної конвекції до плівкового режиму, минаючи стадію бульбашкового кипіння отримав назву третьої кризи кипіння. Максимальна густина потоку теплоти, що відповідає режиму вільної конвекції у момент переходу до плівкового режиму кипіння, називається третьою критичною густиною теплового потоку , а відповідний температурний перепад позначають .

Третя криза спостерігається при кипінні рідини в умовах понижених тисків, коли значно, збільшується критичний радіус зародишів бульбашок і відповідний перегрів рідини.

Кризи 1-го і 2-го роду

Розглядані вище три кризи кипіння відносяться до криз 1-го роду. В цьому випадку відбувається зміна режимів теплообміну і його інтенсивності. Характерними величинами для криз 1-го роду є критичні густини теплового потоку.

Кризи другого роду мають іншу природу. Вони характеризують погіршення тепловіддачі, виникаюче у момент висихання кільцевої плівки рідини на стінці при переході стержневого режиму в дисперсний. Характерною величиною для цих криз є граничне витратне пароутримання.

Граничним пароутриманням називається витратне пароутримання, якому відповідає відповідна криза другого роду.

Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі під час бульбашкового кипіння

Для інженерних розрахунків коефіцієнт тепловіддачі під час кипіння чистих рідин і розчинів рекомендується критеріальне рівняння В.І. Толубинського:

, (4)

де К – критерій кипіння,

, (5)

r_р – густина рідини,

r_П – густина пари.

Це рівняння можна використовувати для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі під час кипіння у „великому” об’ємі й кипіння в трубах за умов природної циркуляції. Застосування формули передбачає необхідність ітераційних розрахунків, тому, що для визначення коефіцієнта тепловіддачі потрібно знати питомий тепловий потік, який у свою чергу, залежить від коефіцієнту тепловіддачі.

Теплообмін при конденсації пари

Конденсація являє собою процес переходу пари (газу) в рідкий чи твердий стан (фазовий перехід першого роду).

Процес конденсації можливий тільки при докритичних станах пари (газу) і може бути здійснений шляхом його охолодження або в результаті такого стиснення, щоб при досягнутих значеннях температури і тиску конденсована фаза була термодинамічно більш стійкою, чим газоподібна. Якщо при цьому температура і тиск більше їх значень, відповідних третій точці для даної речовини, то утворюється рідка конденсована фаза, якщо менше – пар переходить у твердий стан.

Конденсація насиченої чи перегрітої пари на твердій поверхні тепловіддачі відбувається, якщо температура поверхні менша, ніж температура насичення при даному тиску.

При конденсації пари на незмоченій поверхні утворюються краплі конденсату, у той час як у випадку змочених поверхонь конденсат стікає у вигляді рідкої плівки. Розглянемо останній випадок, який має найбільше практичне значення. З утворенням плівки конденсату пар конденсується на її поверхні і тепло передається через цю плівку. Тому плівка конденсату, яка збільшується за рахунок конденсації пари, є основним термічним опором. Процес тепловіддачі у плівці суттєво залежить від гідродинаміки її руху, тому визначальним розміром в критеріальних рівняннях є висота для вертикальних поверхонь і діаметр для горизонтальних труб. Коефіцієнт a може бути знайдений за наступними критеріальними рівняннями:

а) для вертикальних поверхонь і труб

(6)

(7)

б) для конденсації на горизонтальних трубах

(8)

де критерій фазового переходу , тобто його можна розглядати як міру відношення теплового потоку, затраченого на фазове перетворення, до теплоти перегріву чи переохолодження фази при її насиченні, r - теплота конденсації, t_н - температура насиченої пари. Теплофізичні властивості (крім r) вибираються для конденсату за визначаючою температурою t_k, рівною: .

Информация о работе Лекции по "Теплотехнике"