2. Теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости

2.1 Механизм процесса кипения

Кипение – это фазовый переход 1-го рода из жидкого состояния в газообразное, сопровождающееся подводом теплоты фазового перехода (процесс 2 – 1 на рис. 1.2).

Кипение бывает: на поверхности теплообмена и в объёме жидкости. В технике встречается процесс кипения на твёрдой поверхности парогенерирующей трубы.

Механизм теплообмена при кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием молярного переноса массы и тепла паровыми пузырями из пограничного слоя в объём кипящей жидкости.

Различают пузырьковое и плёночное кипение. Для возникновения кипения необходимо выполнение двух условий: 1)наличие центров парообразования; 2) наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения. Центрами парообразования могут быть выступы и впадины на поверхности. Механизм процесса кипения воды при атмосферном давлении показан на рисунке.

Опыт показал, что температура кипящей воды при атмосферном давлении на 0,2 – 0,4С больше, чем температура пара над поверхностью воды. В таблицах Вукаловича «Физические свойства воды и пара» приводится температура пара, а не воды.

На поверхности теплообмена находятся центры парообразования, работа адгезии которых минимальна. Под работой адгезии понимают такую работу, которую необходимо затратить, чтобы оторвать жидкость от твёрдой поверхности. Т.к. температура в жидкости больше температуры пара внутри пузыря, то между ними начинается интенсивный теплообмен.

Паровой пузырёк увеличивается на поверхности до отрывного диаметра, пузырёк отрывается от поверхности теплообмена. На основании теории капилярности получена формула для определения отрывного диаметра пузыря.

2.2 … Теплообмена при пузырьковом кипении в большом объёме

Чтобы пузырь мог возникнуть в жидкости и развивался, необходимо, чтобы давление пара внутри пузыря было больше суммы всех сил, действующих на паровой пузырь

(2.3)

где – критический радиус пузыря, определяется по формуле Томсона:

(2.4)

Если , то меньше суммы всех сил, следовательно паровой пузырёк сконденсируется. Если …

Как правило, жидкости смачивают металлические поверхности теплообмена…

Основным тепловым сопротивлением является термическое сопротивление пограничного слоя жидкости. Однако периодический рост и подъём пузырей нарушает этот слой и турбулизирует его, что приводит к значительной интенсификации обмена. Коэффициент теплопередачи  увеличивается. Происходит перенос массы и тепла из пограничного слоя жидкости в объём самими пузырями, что дополнительно увеличивает теплообмен.

3. Конвективный теплообмен

3.1 Основные положения кмо. Закон Фика

В движущейся однокомпонентной среде теплота передаётся ТП и конвекцией. Такой процесс называется КТО. В движущейся много компонентной среде процесс совместного молекулярного и молярного переноса вещества называется КМО. КТО при наличии МО усложняется за счёт дополнительного переноса теплоты вместе с переносом массы. КМО между поверхностью жидкой или твёрдой фазы называется конвективной массоотдачей. Конвективная теплоотдача описывается законом Ньютона – Рихмана

(3.1)

По аналогии плотность потока вещества (массы)

(3.2)

где:

 - коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности концентраций диффундированного вещества на поверхности массообмена ;

- концентрация диффундированного вещества на поверхности

- концентрация диффундированного вещества в дали от поверхности массоотдачи

Для идеального газа (3.3) – Закон Дальтона,

где:

_р - коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности парциального давления диффундированного компонента на поверхности массоотдачи и вдали от неё. Если обозначить поток массы через I, , то плотность потока массы , . Зная j можно определить поток массы: