Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества

Теплообмен при кипении жидкости.

Кипением называется парообразование, характеризующееся воз­никновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паро­вой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.

Характерной особенностью процесса кипения является образова­ние пузырьков пара. Различают кипение жидкости поверх­ностное и объемное.

Поверхностное кипение 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 может происходить при значительном перегреве жидкости от­носительно температуры насыщения при данном давлении. Пузыри пара возникают во всем объеме.

Наиболее распространено поверхностное кипение.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидко­сти и только в отдельных точках этой поверхности, называемых цент­рами парообразования, которымияв­ляются неровности самой стенки, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрыва­ются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если жид­кость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара легко отрывается. Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, и отрывается только часть пузырька, а ножка остается на по­верхности.

Рост пузырьков до от­рыва от обогреваемой поверхности и движение ихпосле отрыва вызывают ин­тенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пу­зырьковым кипением.

С возрастанием температурного напора или с увеличением плотно­сти теплового потока число центров парообразования непрерывно уве­личивается и, наконец, их становится так много, что отдельные пузырь­ки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, и образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пле­ночным. Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара пред­ставляет большое термическое сопротивление. Теп­лоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом сни­жается и если количество передаваемой теплоты q остается неизмен­ным, то, как следует из уравнения q =a(t_с – t_ж),при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение температуры стенки t_c. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. На рисунке показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и зависимость плотности теплового потока от Dt. При малых температурных напорах значение коэф­фициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении Dt коэффициент теп­лоотдачи быстро возрастает и проис­ходит интенсивное пузырьковое ки­пение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипе­ние переходит в пленочное и при дальнейшем повышении Dt коэффи­циент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интенсивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и обра­зуют сплошную паровую пленку, ко­торая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное. Величины Dt,aи q,соответствующие моменту перехода пузырько­вого режима кипения в пленочный, называются критическими.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды (при давлении р = 0,02-8 МПа) рекомендуются простые расчетные формулы:

a = 3,15р^0,15q ^0,7; a = 46Dt ^2,33р^0,5,

где Dt = t_с – t_ж – температурный напор; р –давление пара, бар; q – плотность теплового потока, Вт/м².

Теплообмен при конденсации пара.

Процесс конденсации заключается в том, что пар при определенных условиях может переходить как в жидкое, так и твердое состояние. Процесс конденсации часто встречается на практике – в кон­денсаторах паровых турбин, в опреснителях при получении питьевой воды, в теплообменниках холодильных установок и др.

Конденсация пара всегда связана с отводом теплоты через поверх­ности конденсации и с одновременным отводом образующегося веще­ства – конденсата. Конденсация происходит только при температурах и давлении пара ниже температуры и давления критической точки. Она протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. Конденсация на твердых поверхностях применяется в технике наиболее часто.

Если насыщенный или перегретый пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения при данном дав­лении, то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в виде пленки или капель оседает на поверхности и стекает вниз.

Различают два вида кон­денсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсата не смачивается жидкостью и конденсат осаждается в виде отдельных капель, то происходит капельная конденсация. На смачиваемой поверхности конденсирующийся насыщенный пар об­разует сплошную пленку; такая конденсация называется пленочной.

Для водяного пара капельная конденсация явление случайное, неустойчивое и кратковременное. Она отличается интенсивным тепло­обменом, и коэффициент теплоотдачи в 15 – 20 раз выше пленочной. Объясняется это явление тем, что конденсирующийся пар находится в непосредственном соприкосновении с охлаждаемой поверхностью. При пленочной конденсации теплота передается поверхности пленки конденсата, а пленка передает теплоту стенке. Пленка кон­денсата представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем меньше теплоотдача.

Рассмотрим теплоотдачу при пленочной конденсации в случае ла­минарного движения пленки конденсата.

В данном процессе перенос теплоты через пленку осуществляется только теплопроводностью.Тогда при коэффициенте теплопроводности конденсата lи толщине пленки d плотность теплового потока равна , где t_н –температура насыщения; t_с –температура поверхности.

Согласно закону Ньютона-Рихмана при коэф­фициенте теплоотдачи aплотность теплового потока равна q = a(t_н – t_с), откуда a = l/d. Следовательно, коэффициент теплоотдачи зависит от толщины слоя конденсата, стекающего по стенке вниз, и коэффициента теплопроводности конденсата.

При практических расчетах, рекомендуются следующие формулы для определения среднего значения коэффициента теплоотдачи:

для вертикальной стенки ;

для горизонтальной трубы ,

где g – ускорение силы тяжести; l_ж – коэффициент теплопроводности жидкости; r – теплота парообразования; r_ж ­– плотность жидкости; v_ж – кинематический коэффициент вязкости жидкости; Н – высота вертикальной стенки; d – наружный диаметр трубы.

Физические параметры конденсата берутся при средней температуре пленки конденсата, равной t_cр =0,5(t_н + t_с). Теплота парообразования берется при температуре насыщения t_н.

Так как высота трубы всегда больше диаметра, то коэффициент теплоотдачи при горизонтальном расположении трубы выше, чем при вертикальном.

Приведенные формулы относятся к неподвижному или медленно движущемуся пару (w < 10 м/с). Если движение пара совпадает по направлению с движением пленки конденсата, то d уменьшается, а a увеличивается. При встреч­ном движении пара и пленки конденсата толщина последней увели­чивается, а a уменьшается. При большой скорости пара происходит срыв конденсатной плен­ки, что приводит к росту коэффициента теплоотдачи.

При конденсации перегретого пара температура его у стенки по­степенно снижается и фактически конденсируется насыщенный пар.

Состояние поверхности конденсации оказывает влияние на величину a. На трубах, с большой шероховатостью тол­щина пленки конденсата увеличивается, что вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи.

Примеси различных газов в паре заметно уменьшают теплоотдачу при конденсации. Снижение теплоотдачи происходит потому, что пар конденсируется, а газ или воздух, остается вблизи поверхности в виде слоя, через который молекулы пара проникают из ядра потока лишь путем диффузии, тем самым увеличивая термическое сопротивление пленки.