3. Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества.

Изменение агрегатного состояния вещества происходит при кипении и конденсации.

Кипениевозможно во всем температурном интервале между тройной и критическими точками для данного вещества. Характерной особенностью процесса кипения является образование пузырьков пара. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения всегда связан с подводом теплоты к кипящей системе.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности и кипение в объеме жидкости.

Процесс кипения на твердой поверхности возникает тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объемное кипение возникает при перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Объемное кипение можно получить при быстром уменьшении давления или при наличии в жидкости внутренних источников теплоты.

Следует обращать внимание на особенности кипения в большом объеме, при кипении на пучках труб, при кипении внутри труб, при кипении в стекающей пленке.

Наиболее простым является пузырьковое кипение в большом объеме, при котором образующийся пар свободно удаляется от поверхности нагрева.

Около нагреваемой поверхности при кипении образуется тонкий пограничный слой, в котором жидкость перегрета на ∆t=t_cт–t_ж. Для пара температура насыщения при нормальном атмосферном давленииt₀= 100⁰C, температура всей массы жидкости равна 100,4⁰С, а температура пограничного слоя 109,1⁰С.

Пузырьки пара зарождаются на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках, называемых центрами парообразования.

Количество пузырьков пара будет тем больше, чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева, чем больше температурный напор, чем грязнее поверхность. Размер пузырьков пара зависит от смачивающей способности жидкости. При хорошей смачиваемости пузырек пара имеет тонкую ножку и легко отрывается от поверхности. При плохой смачиваемости пузырек имеет толстую ножку и трудно отрывается. Отрыв пузырьков пара вызывает интенсивную циркуляцию и перемешивание, вследствие чего резко увеличивается интенсивность теплоотдачи. Такой режим называют пузырьковым кипением.

С возрастанием температурного напора количество пузырьков увеличивается и их становится так много, что они сливаются в сплошную пленку, которая периодически разрывается и пар прорывается в объем жидкости. Такой режим кипения называется пленочным.

Ввиду малой теплопроводности пара пленка создает большое термическое сопротивление, теплоотдача резко падает, а температура в пограничном слое резко возрастает, что может привести к пережогу труб, к аварии.

При кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления.

При малых температурных напорах – до 5⁰– значение

коэффициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости. При увеличении ∆tкоэффициент теплоотдачи быстро возрастает и происходит интенсивное пузырьковое кипение. Рис.2.7.

В точке К (рис.2.7) наступает изменение режима кипения пузырьковое кипение переходит в пленочное, коэффициент теплоотдачи падает.

На приведенном рисунке показан график изменения коэффициента теплоотдачи при кипении и зависимость поверхностной плотности теплового потока от ∆t.

Значения ∆t,,q, соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочное, называется критическим. Нахождение этих величин имеет большое практическое значение для выбора оптимального режима работы выпарных и кипятильных аппаратов.

На основании теории подобия для определения коэффициента теплоотдачи и критического значения теплового потока при пузырьковом кипении жидкости в условиях естественной конвекции в большом объеме предложены формулы

2.67

2.68

гдеρ^/ иρ^//- плотности жидкости и газа, кг / м³;r– теплота парообразования, кДж/кг;

б– коэффициент поверхностного натяжения, кг/м; λ – теплопроводность жидкости, Вт/м К

μ- динамическая вязкость жидкости; с- теплоемкость жидкости, кДж/ (кг К); Т – абсолютная температура насыщенного пара при данном давлении, К.

Академик М.А.Михеев рекомендует для р = 0,02 – 8,0 Мпа при пузырьковом кипении воды формулу

α = 4,45р^0,15q^0,7 2.69

а= 146,1Δt^2,33р^0,52.70

где Δt=t_ст–t_ж– температурный напор, К; р – абсолютное давление пара, МПа;q– поверхностная плотность теплового потока.

Конденсация,т.е. переход пара в жидкое состояние возможен только при условии, что температура и давление пара ниже температуры и давления критической точки.

Конденсация протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях.

В зависимости от состояния поверхности различают конденсацию пленочную и капельную. На жирной поверхности (покрытой жирными веществами) может происходить только капельная конденсация. Капельная конденсация для водяного пара явление случайное, неустойчивое. При капельной конденсации интенсивность теплоотдачи в 15 – 20 раз выше пленочной. С помощью лиофобизаторов или гидрофобизаторов создают искусственную капельную конденсацию

Следует различать конденсацию для вертикальной и горизонтальной стенки.

Для вертикальной стенки:

2.71

Для горизонтальной стенки

2.72

Где g– ускорение свободного падения; λ_ж– теплопроводность жидкости;ρ_ж– плотность жидкости; ν_ж–кинематическая вязкость жидкости; ґ – теплота прарообразования; Н – высота вертикальной стенки;d– наружный диаметр трубы.

Физические параметры конденсата берутся по средней температуре пленки конденсата t_ср= 0,5 (t_н+t_ст), теплота парообразования берется по температуре насыщенияt_{н .}

Масса конденсата, образующегося на 1 м²поверхности определяется по формуле

m=q/ґ = (λ/ δг ) (t_н –t_ст) 2.73

Размерность массы конденсата – кг / (с м²)

При скорости конденсата < 10 м/с при совпадении движения пленки конденсата и движении пара, толщина пленки уменьшается, коэффициент теплоотдачи увеличивается.

При встречном движении пара и пленки конденсата коэффициент теплоотдачи уменьшается, а толщина пленки увеличивается. Толщина пленки конденсата на чистой поверхности на 30 % меньше толщины пленки на ржавой поверхности.

Примеси газов в паре уменьшают теплоотдачу при конденсации. Наличие в паре 1%

Воздуха уменьшает коэффициент теплоотдачи при конденсации на 60%.

Расположение труб конденсатора также влияет на процесс конденсации.