Лабораторная работа №15 Физическое моделирование теплообмена при кипении воды в большом объеме

I. Основные теоретические положения о теплообмене

при пузырьковом кипении в большом объеме

Процесс кипения жидкости распространен в технике: он применяется для производства пара на предприятиях тепло- и электроэнергетики (ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС, АЭС и др.), имеет место в холодильных установках при подводе теплоты на постоянном температурном уровне, в химико-технологических процессах разделения многокомпонентных жидкостей и др.

Кипение жидкости характеризуется большими значениями коэффициента теплообмена и практически никогда не лимитирует температурные условия работы теплообменной поверхности.

Различают две формы образования паровой фазы из жидкой:

1. Жидкость соприкасается с поверхностью, имеющей температуру более высокую, чем температура парообразования (кипения) . Такая поверхность является источником возмущения, приводящим к появлению второй фазы, так как процесс парообразования начинается на такой обогреваемой поверхности в существенно неравновесной форме.

2. Температура жидкости остается постоянной, но происходит резкий сброс давления, приводящий к внезапному бурному процессу неравновесного парообразования во всем объеме жидкости. Такой процесс типа взрыва очень опасен в системах с большим объемом жидкости при резком увеличении расхода пара.

Мы будем рассматривать только процесс парообразования на обогреваемой поверхности, который также подразделяется на два вида:

а) температура массы жидкости доведена до состояния насыщения , т.е. нормальное парообразование;

б) жидкость во всем объеме имеет температуру меньшую, чем температура насыщения, а поверхность теплообмена перегрета выше температуры парообразования, т.е. теплообмен при кипении происходит при недогретой жидкости. В иностранной литературе такую жидкость называют переохлажденной по отношению к состоянию насыщения при давлении в сосуде.

Изучим нормальную форму кипения и привлечем к рассмотрению термодинамические методы анализа фаз в момент возникновения новой (паровой) фазы в дисперсной форме (в форме пузырьков) у перегретой поверхности.

Известно, что в течение всего процесса кипения поддерживаются постоянными и находятся в соответствии друг с другом внешнее давление p и температура жидкости на достаточном удалении от теплообменной поверхности. В этих условиях сопряжения зародившегося пузырька пара и внешней среды в качестве характеристической функции нужно выбрать свободную энтальпию

, (15.1)

где F – свободная энергия; p – давление; V – сумма объемов всех фаз – жидкой , парообразной и разделяющего их поверхностного слоя в 2-3 молекулы толщиной , равная

.

Из-за малости объема им пренебрегаем. Заметим, кстати, что увеличение объема пара происходит за счет уменьшения объема жидкости .

В дифференциальном виде формула (15.1) запишется как

или

Применение индексов связано с тем, что ниоткуда не следует их идентичность во всех фазах. Термодинамический анализ поверхностной фазы показывает, что имеет место равенство

, (15.2)

где  – коэффициент поверхностного натяжения, равный чаще всего – поверхность раздела фаз, определяемая объемом новой фазы (пара), а не жидкости.

Используя условия сопряжения p = const и T = const, получаем

.

Дифференциал свободной энтальпии dФ в этом случае определится как

. (15.3)

В состоянии равновесия характеристическая функция – свободная энтальпия – имеет минимальное значение Ф_min и дифференциал этого экстремального значения равен нулю (dФ_min=0):

. (15.4)