Самостійна робота №9 (2 год.)

Тема: Конвекційний теплообмін при зміні агрегатного стану

Мета: Засвоїти особливості процесу тепловіддачі при зміні агрегатного стану рідини.

Розвивати самостійність та зацікавленість дисципліною для використання набутих знань в подальшій професійній діяльності.

План вивчення:

1. Теплообмін при кипінні речовини

2. Теплообмін при конденсації пари

Література:

І.Б. Рябова, І.В. Сайчук, А.Я. Шаршанов. Термодинаміка і теплопередача в пожежній справі. – Х., 2010. с. 201–213

Методичні вказівки

В самостійній роботі №9 розглядається характеристика процесу теплообміну при зміні агрегатного стану досліджуваної рідини, зокрема, при кипінні рідини та конденсації пари.

Після опрацювання навчального матеріалу згідно плану необхідно зробити конспект в зошиті для самостійних робіт, виділяючи основні поняття, твердження, закони та формули. Отже, опрацьовуючи начальний матеріал за планом курсант (учень) повинен:

знати: механізм теплообміну при кипінні, режими кипіння, кризи кипіння, відмінність між бульбашковою та плівковою конденсацією.

вміти: обраховувати кількісне значення коефіцієнту тепловіддачі при бульбашковому кипінні, бульбашковій та плівковій конденсації.

Теоретичні відомості

1. Теплообмін при кипінні рідини.

Кипінням називають процес інтенсивного пароутворення, що проходить у певному об’ємі рідини, яка перегріта відносно температури насичення, з утворенням парових бульбашок.

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

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

При кипінні на твердій поверхні утворення парової фази спостерігається в окремих місцях поверхні. Об’ємне кипіння може відбуватися тільки при значному перегріві рідкої фази відносно температури насичення.

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

Перегрів рідини має максимальне значення біля поверхні теплообміну, що нагрівається. На ній же знаходяться центри пароутворення у вигляді окремих нерівностей стінки, бульбашок повітря, пилинок і інші. Тому утворення бульбашок пари відбувається безпосередньо на поверхні теплообміну.

Розрізняють 2 основних режими кипіння бульбашковий і плівковий. При бульбашковому режимі пара утворюється у вигляді бульбашок, що періодично з’являються, ростуть і відриваються. В даному випадку основна частина поверхні нагріву омивається рідиною.

Режим кипіння, що характеризується наявністю на поверхні плівки пари, що покриває дану поверхню і відділяє її від рідини назив. плівковим. Інтенсивність тепловіддачі при плівковому кипінні значно менша ніж при бульбашковому.

При бульбашковому кипінні інтенсивність теплообміну залежить від мікро характеристик кипіння і режимних параметрів процесу, а саме: критичний радіус бульбашки, швидкість росту, відривний діаметр і частота відриву.

Мінімальний розмір парової бульбашки в момент зародження назив. критичним радіусом R . Він відповідає розміру нерівностей на поверхні теплообміну.

Для виникнення парової бульбашки і існування її в подальшому необхідно, щоб сила тиску пари в середині нього була не менша суми всіх зовнішніх сил, що діють на парову бульбашку. Умова механічної рівності сил для бульбашки сферичної форми визначається рівнянням Лапласа.

При - існує і розвивається, при вона сконденсується .

Критичний радіус бульбашки

R =

Парова бульбашка, утворена на поверхні, росте до деякого розміру d при якому вона відривається від поверхні і піднімається вверх.

Величина d визначається умовами механічної рівності між підйомною силою і силою поверхневого потягу d = 0,0208.

₌

- крайовий кут змочування в кутових градусах.

Після відриву бульбашка рухається через шар рідини. Тепловіддача між перегрітою рідиною і поверхнею бульбашки має велику інтенсивність. може досягати 200 тис. Вт/м . За рахунок цього бульбашка при підніманні значно збільшується в розмірах.

При кипінні проходить безладна турбулізація рідини біля поверхні теплообміну бульбашками пари, які ростуть і періодично відриваються, що інтенсифікує процес теплообміну. Зі збільшенням частоти відриву парових бульбашок і густини центрів пароутворення інтенсивність теплообміну зростає.

Р озглянемо характер змін густини теплового потоку від перегріву (крива кипіння)

1.Конвективна область, що відповідає малим

перегрівом (кипіння немає).

2.Бульбашкове кипіння.

3. Перехідний період (утворення сухих плям) .

4. Плівкове кипіння (конвективний теплообмін і випромінювання).

Інтенсивність теплообміну залежить від теплофізичних властивостей рідини і тиску.

1. При збільшенні тиску коефіцієнт тепловіддачі росте. Це пояснюється зменшенням критичного діаметра бульбашки і відривного діаметра, а також збільшенням числа центрів пароутворення і частоти відриву .

2. При збільшенні коефіцієнта теплопровідності рідини інтенсивність теплообміну збільшується , пояснюється меншим термічним опором мікрошару рідини біля основи бульбашки, хорошими умовами передачі тепла до бульбашки, і, як наслідок, збільшення швидкості їх росту.

3. При збільшенні в’язкості інтенсивність теплообміну зменшується внаслідок погіршення умов перемішування рідини біля поверхні і збільшенням товщини мікрошару рідини.

4. Збільшення поверхневого натягу знижує інтенсивність ТО у всіх випадках.

5. Збільшення коеф. теплозасвоєння стінки приводить до інтенсифікації тепловіддачі (внаслідок росту швидкості парових бульбашок і зміни їх відривного діаметра) і приводить до зменшення .

Вплив недогріву рідини. Недогрівом називається кипіння біля поверхні , при якому вдалині від неї рідина не догріта до температури насичення. Парові бульбашки, що потрапили в холодне ядро, конденсуються. При великих недогрівах вони конденсуються не відділяючись від поверхні.

Процеси ТО з поверхневим кипінням мають велике практичне значення, так як дозволяють отримати високі значення теплових потоків в порівнянні з конвекцією однофазної рідини.

Вплив рівня рідини. При зниженні рівня рідини на 10-20 мм, коли цей рівень співрозмірний з розмірами парових бульбашок, спостерігається підвищення перегріву рідини, збільшення числа діючих центрів пароутворення, частоти відриву бульбашок, а значить підвищення ТО. При тонких плівках ( менше 2мм) все навпаки, тому що теплота, передається за рахунок теплопровідності між центрами пароутворення.

Вплив шороховатості. Збільшення ТО , але тільки ті впадини, які можуть утримувати пару чи газ (6-7 класу частоти, глибина 5-10 мкм).