Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества

1. Кипение Кипение – парообразование, характеризующееся возникновением новых поверхностей раздела жидкой и паровой фаз, нагретых выше температуры насыщения.

Различают кипение на поверхности и в объеме.

Кипение на твердой поверхности наблюдается при перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности ТО выше температуры жидкости. Образование пузырьков пара происходит на поверхности теплообмена.

Объемное кипение наблюдается при перегреве жидкости относительно температуры насыщения. Оно наблюдается при резком понижении давления или при наличии внутренних источников тепла (далее не рассматривается.).

Кипение на твердой поверхности.

Теплота передается от поверхности нагрева t_ст<t_нас пограничному слою жидкости, а затем и всей массе жидкости. В пограничном слое жидкость перегрета относительно температуры жидкости в объеме на .

Например: при q=22220 Вт/м² и t_нас=100 ⁰С – для воды t всей жидкости=100,4 ⁰С, пограничного слоя 109,1 ⁰С.

При q ↑, Δt ↑.

Пузыри пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках поверхности, которые называют центрами парообразования (неровности, накипь, пузырьки растворенного газа). Количество пузырьков зависит от количества центров, от нагрева пограничного слоя и от величины тепловой нагрузки q (или ).

Размер выплывающих пузырьков зависит от смачиваемости жидкости.

Если кипящая жидкость хорошо смачивает поверхность, то пузырек имеет тонкую ножку и легко всплывет. Если жидкость не смачивает поверхность, то отрывается верхняя часть пузырька, а толстая ножка остается на поверхности.

Различают 3 режима кипения:

1. Поверхностное (конвективное) кипение (режим кавитации) – наблюдается в недогретой жидкости (Δt≤5 ⁰С при р_атм) – пузырьки конденсируются в объеме жидкости, кипение наблюдается только в поверхностном слое, перемешивание слабое, теплоотдача – в основном свободной конвенцией.

2. Пузырьковое кипение – пузырьки всплывают, вызывая интенсивное перемешивание в пограничном слое, что улучшает условия ТО от поверхности и жидкости. При пузырьковом кипении площадь соприкосновения ножки пузырька пара с поверхностью нагрева мала, поэтому вся теплота передается пограничному слою жидкости, а от него конвенцией – в объем жидкости.

3. Пленочный режим кипения – с увеличением q или Δt число центров увеличивается и отдельные пузырьки сливаются в сплошной слой пара, который периодически прорывается в объем кипящей жидкости. Этот слой представляет собой термическое сопротивление (при р=1 атм λ_воды≈0,68, λ_пара≈0,002 Вт/м·г). Теплоотдача снижается, Δt увеличивается, может произойти пережог стенки.

При кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения зависит от физических свойств жидкости, Δt и р. Форма сосуда существенного влияния не имеет.

Рассмотрим зависимость .

При перегреве до 5 ⁰С значение α определяется условиями свободной конвенции (АВ).

(ВК) – режим пузырькового кипения.

(·) К - изменение режима α уменьшатся режим пленочный.

Δt, q, α в (·) К называют критическими.

Установление Δt_кр имеет практическое значение для выбора оптимального режима работы кипятильников и выпарных аппаратов. Используются формулы для расчета α и q_кр.

Для воды α рассчитывается по более простым формулам:

,

, р – абсолютное давление пара, МПа.