44 Билет

Режимы кипения. Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей.     Процессы  кипения имеют большое практическое применение в теплоэнергетике, химической технологии, атомной энергетике и ряде других областей современной техники. Кипение возможно во всем температурном интервале между тройной и критическими точками для данного вещества. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости. Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.   При кипении на твердой поверхности образование паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла. В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т. п.). Этот вид кипения в основном и рассматривается далее.   Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазнэй жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости. Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования. Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде отдельных неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.    Различают два основных режима кипения: пузырьковый и пленочный. Кипение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым. С увеличением теплового потока до некоторой величины отдельные паровые пузырьки сливаются, образуя у поверхности теплообмена сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, обволакивающей эту поверхность и отделяющей ее от жидкости, называется пленочным кипением. Интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении значительно меньше, чем при пузырьковом. Ниже будут рассмотрены механизмы теплообмена при пузырьковом и пленочном режимах кипения.  

 

13.1.2. Минимальный радиус пузырька. Процесс парообразования можно разбить на отдельные стадии. К первоначальной стадии относится зарождение пузырьков в некоторых центрах на поверхности нагрева. Затем происходит их рост и отрыв от этих центров. К завершающей стадии относится движение пузырьков в объеме перегретой жидкости. Достигнув поверхности жидкости, паровые пузырьки лопаются. После этого образуются новые пузырьки и процесс повторяется вновь. Минимальный размер парового пузырька в момент зарождения называется критическим радиусом R_k соответствует размеру неровностей на поверхности теплообмена (центров парообразования). При наличии центров паровые пузырьки возникают при незначительных перегревах жидкости относительно температуры насыщения. При наличии малого количества центров кипение жидкости имеет место при значительных ее перегревах. Критический радиус определяется из условий термодинамического равновесия фаз. Для возникновения парового пузырька и существования его в дальнейшем необходимо, чтобы сила давления пара внутри него была не меньше суммы всех внешних сил, действующих на паровой пузырек. В момент образования пузырька на него действуют две основные силы: сила давления р окружающей его жидкости и сила поверхностного натяжения на поверхности пузырька. Условие равновесия сил для парового пузырька сферической формы определяется уравнением Лапласа: При избыточном давлении Δp>2σ/R_k паровой пузырек может существовать и развиваться; при Δp<2σ/R_k он сконденсируется. Образование пузырька с критическим радиусом R_k возможно лишь в том случае, если окружающая пузырек жидкость будет перегрета, т. е. если ее температура Т_ж будет превышать температуру насыщения T_н (при давлении в жидкости р) на некоторую величину Δt=T_ж—Т_н. Температура пара Т_пk в пузырьке с критическим радиусом должна равняться температуре окружающих слоев жидкости Т_ж. Поэтому температура Т_ж=Т_пk может быть найдена приближенно (если не учитывать малой поправки, связанной с влиянием кривизны межфазной поверхности на давление насыщения) как температура насыщения, соответствующая давлению пара внутри пузырька p₁=p+Δр. Отсюда следует, что связь между перепадом давления Δр и необходимым перегревом жидкости Δt определяется формулой Если учесть зависимость давления от кривизны поверхности раздела фаз, то Величина р' есть производная от давления по температуре на линии насыщения, определяемая согласно закону Клапейрона-Клаузиуса уравнением (13.2). Зависимости (13.1) и (13.2) позволяют выразить критический радиус пузырька Соотношение (13.3) определяет критический радиус сферического пузырька, находящегося внутри (в объеме) перегретой жидкости вдали от поверхности нагрева. Слои жидкости, которые непосредственно соприкасаются с поверхностью нагрева, имеют температуру Т_ж, равную температуре стенки Т_с. Поэтому если в формуле (13.3) положить Т_ж=Т_с, то В такой форме записи величина R_k характеризует радиус кривизны внешней поверхности пузырьков, зарождающихся на поверхности теплообмена. Одновременно величина R_k определяет порядок размеров тех элементов шероховатости, которые при данных условиях (давлении, перегреве и т. д.) могут служить центрами парообразования. С увеличением перегрева жидкости при заданном давлении величина R_k уменьшается. Минимальный радиус R_kуменьшается и с увеличением давления при заданном перегреве, так как с увеличением давления растет производная р', а поверхностное натяжение уменьшается. Увеличение перегрева жидкости и давления приводит к уменьшению R_k, а следовательно, к увеличению общего числа действующих центров парообразования, интенсивному перемешиванию жидкости в пограничном слое и увеличению теплоотдачи. В том случае, когда жидкость смачивает стенку, кипение жидкости происходит практически без перегрева относительно температуры насыщения. Таким образом, к факторам, влияющим на образование пузырька радиусом R_k, относятся: Δt, р и характер физико-химического взаимодействия пара и жидкости с твердой стенкой.

Конденсация (от позднелат. condensatio - уплотнение, сгущение), переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при докритических параметрах; фазовый переход первого рода. Конденсация - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота конденсация Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении (см. Росы точка). Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже - вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация).

Конденсация широко применяется в хим. технологии для разделения смесей посредством конденсации фракционной, при сушке и очистке веществ и др., в энергетике, например в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для конденсация рабочего тела, в опреснительных установках и др. При конденсации паров в узких порах адсорбентов последние могут поглощать значит. кол-ва вещества из газовой фазы (см. Капиллярная конденсация). Следствие конденсация водяного пара в атмосфере - дождь, снег, роса, иней.

Конденсация в жидкое состояние. В случае конденсации в объеме пара или парогазовой смеси (гомогенная конденсация) конденсированная фаза образуется в виде мелких капель жидкости (тумана) или мелких кристаллов. Для этого необходимо наличие центров конденсация, которыми могут служить очень мелкие капельки жидкости(зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрические заряд (ионы). При отсутствии центров конденсация пар может в течение длительного времени находиться в так называемом метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомогенная конденсация начинается при так называемом критическом пересыщении П_кp=p_к/p_н где р_к - равновесное давление, соответствующее критическому диаметру зародышей, р_н - давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости (напр., для водяного пара в воздухе. очищенном от твердых частиц или ионов. П_кр=5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технологических аппаратах, например при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, смешении влажных газов.

Конденсация на поверхности твердого тела насыщенного или перегретого пара происходит при температуре поверхности, которая меньше, чем температура насыщения пара при его равновесном давлении над ней. Наблюдается во многих промышленных аппаратах, которые служат для конденсация целевых продуктов, подогрева различных сред, разделения паровых и парогазовых смесей, охлаждения влажных газов и т.д. При сжижении пара на поверхности твердого тела, хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка жидкости (пленочная конденсация); на поверхности, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, - отдельные капли (капельная конденсация); на поверхности с неоднородными свойствами (напр., на полированной металлической с окисленными загрязненными участками) - зоны, покрытые пленкой конденсата и каплями (смешанная конденсация).