Основы теплопередачи (Михеев М.А.) (1013624), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Сле ова- 124 теплООтлАчА пРн изменении АГРеГАтнОГО состОяння [Гл. з мых центрами парообразоваиия. Такими центрами парообразования могут быть лишь бугорки шероховатости, приставшие частицы накипи н шлама, а также мельчайшие пузырьки газов, адсорбированных поверхностью и выделяющихся при нагреве. На необогреваемых поверхностях н на твердых частицах в объеме жидкости пузырьки пара зарождаются лишь при резком понижении внешнего давления, когда жидкость оказывается достаточно перегретой по всему объему.
Далее, опь.т показывает, что число действуюших центров парообразования Л определяется степенью перегрева жидкости у !08 10б л07 700 ~~105 е 104 ьОЭ 10г поверхности нагрева, т. е. температурным напором Ы = 1„— б,. С увеличением ььь' число Л увеличи- 8 вается,и процесски- бобортносоь 4 бады ' боба !0ь ОО4" Ппр мо' 100 0 Ь г 3 4 5 б 7см Рассоьояоио ось ооберхносоьи ногребо пения становится,боФиг. 00. Изменение температуры кипящей Лсе ИНТЕНСИВнмм.
Эта воды при подогреве ее снизу зависимость в основ(е=!9300 ииол[мвиоо, т =109,1'С). ном обусловливается явлением поверхностного натяжения, возникающим на границе раздела между жидкостью и паром. Напомним, что поверхностное натяжение вызывается силой, под действием которой свободная поверхность жидкости стремится сократиться; эта сила действует по касательной к поверхности.
За единицу поверхностного натяжения принимают силу, приходящуюся на единицу длины произвольной линии раздела на поверхности жидкости; с увеличением температуры поверхностное натяжение жидкости убывает, и при критической температуре оно становится равным нулю. Изменение поверхностного натяжения с температурой определяется формулой Бачинского: о=с!у' — Т")' кз(м, (11 тельно, в прилегающем к стенке слое жидкость перегретз относительно температуры насыщения на Оь'=б — г, и значение М получается тем больше, чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева, 0 ккал/мя час. Визуальное наблюдение процесса кипения показывает, что пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности, где перегрев жидкости наибольший, и только в отдельных точках этой поверхности, называе- 0 теплоотдАчА пги кипении й 171 125 где Т' — удельный вес жидкости; 7" — удельный вес пара при температуре насыщения; с — коэффициент пропорциональности.
При температуре 20' С поверхностное натяжение воды о=0,00745, бензола о=0,00294, этилового спирта о=0,00227 и ртути о =0,048 кг/лт. Лля воды формулу (1) можно представить в следующем виде: о 0'00714[» о ) кг/м Вследствие поверхностного натяжения давление внутри пузырька пара р, выше давления окружающей его жидкости р.
В условиях равновесия согласно уравнению Лапласа разность этих давлений определяется следующим образом: Р! Р=ор= [8) где о — поверхностное напряжение жидкости; р — радиус кривизны пузырька. Очевидно, что существование и рост парового пузырька 2а возможны лишь в том случае, если йр ) и, чтов момент Р зарождения пузырька радиусом кривизны является радиус ро бугорка шероховатости, действующего в качестве центра парообразования. Так как давлению р соответствует температура насыщения г,, а давлению р, †температу а,! =х„ =г, + !х г, то разность дав .ений ор можно выразить и через ат, а именно: ар=р(г,+Ы) — р['ь,)= р'Ы+ р" — — + ...=р'йге. (4) Здесь р' — производная давления по температуре на линии насыщения; эта производная определяется уравнением Клаузиуса-Клапейрона: ~, т) А»'а (»' — »") ' (5) где г — теплота парообразования; 7' — удельный вес жидкости; 7" — удельный вес пара; 7; — абсолютная температура насы- 1 щения; А = — — ккал/кгм — тепловой эквивалент работы.
427 ь Ради упрощения изложения здесь не учтена поправка Томсона, орределяющая зависимость давления насыщенного пара от кривизны поверхности жидкости; для давлений, не очень близких к критическому, зта поправка незначительна [4б). тнплоотдача пни изменннии агеегатного состояния 1г а Подставляя значение йр из уравнения (4) в уравнение (3) и определяя минимальный радиус бугорка шероховатости ,„, получим: 2т * йа,т1п р'ат (6) Из уравнений (3) и (4) следует, что возникновение пузырька пара возможно лишь в месте наибольшего перегрева жидкости, т. е. на обогреваемой стенке. В самом деле, чем меньше р, тем больше йр, а большему ор должно соответствовать и большее б 1= г„— т,.
Затем из уравнения (6) вытекает, что заданному температурному напору М при кипении жидкости соответствует вполне определенное минимальное значение радиуса пузырька р, а следовательно, и радиуса бугорка шероховатости ро на котором возможно зарождение пузырька пара. Зарождение более мелких пузырьков невозможно, так как при р ( ро давление внутри пузырька должно было бы быть больше равновесного (ор '> р'Ы). Далее, из уравнения (6) следует, что при возрастании М в качестве центров парообразования начинают действовать более мелкие бугорки шероховатости, вследствие чего общее число центров парообразования Л возрастает. Последнее резко увеличивается также при повышении давления р, так как при этом о убывает, а р' возрастает. О размере бугорков шероховатости, действуюших в качестве центров парообразоваиия, дает представление следующий расчет при кипении воды в атмосферных условиях.
В этом случае поверхностное натяжение о = 6 10 а кг1м, производная р'=( — ) =, ' ' '1 —— 358 кг/мвоСитемпературныйнапор йтизменнется в интервале от 5 до 25'С. Подставляя эти значенля о, р' и И в уравнение (6), найдем, что наименьшие значения радиуса действующих центров парообразования изменяются от р =6,? 10 лм при М = 5'С до ро = 1,34 1О а мм при аг = 25оС. Зародившись, пузырьки пара быстро растут и, достигая некоторого определенного размера, отрываются от поверхности и поднимаются вверх, при атмосферном давлении в среднем со скоростью 0,25 м1сек. Размер их в момент отрыва определяется взаимодействием силы тяжести, поверхностного натяжения и конвекции окружающей жидкости. Кроме того, явление образования пузырьков пара и отрыв их от поверхности в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или ие смачивает.
е Точнее, с учетом поправки Томсона 2а т' осып — р'дт т' — тв ° ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ з 17] 127 Смачивающая способность жидкости характеризуется краевым углом з, который образуется между стенкой и свободной поверхностью жидкости; чем больше ]], тем хуже смачивающая способность жидкости. Если 0 ( 90' (фиг. 61,а), то жидкость считается смачивающей поверхность; примером такой жидкости может служить эфир (о = 16'), керосин (о=26-), вода (0=50') и др. Если же 11)90' (фнг.61,б), то жидкость считается несмачивающей поверхность, примером служит ртуть (О= — 137').
На основании теории капиллярнссти отрывной диаметра/п паровых пузырьков определяется следующим соотношением: до —— 20 Э $7, „-.И.и. т т' — т" (7) Для воды эту формулу на основании уравнения (2) можно привести к следующему виду: Ш,=267~ (, щ) (8) Так как температура кипящей жидкости 1 выше температуры насыщения 1,, то между жидкостью и пузырьком пара происходит интенсивный теплообмен, за счет которого росг парового пузыря продолжается и после его отрыва от поверхности. В зависимости от продолжительности подъема и степени перегрева жидкости объем пузыря при этом увеличивается в десятки раз. Неко~орое представление о темпе роста дает зарисовка с кинематографического снимки на фнг. 63.
Из этой фигуры видно, что при прохождении пути в 50 шх за четверть секунды объем пузырька увеличивается При атмосферном давлении (т. е. при 7,= 100 С), 7'= 958 Аз/жа, Та=0,58 кг/ма и б =2,5зем. Из формулы (8) также следует, что с увеличением давления отрывной диаметр паровых пузырьков уменьшается. Если кипящая жидкость смачивает 4 поверхность нагрева, то она как бы подмывает паровые пузырьки (фиг.
62,а), которые и этом случае имеюг тонкую а ножку и от поверхности отрывают.я легко. Если же кипящая жидкость не — — б~ смачивает поверхность нагрева, то парообразование происходит по всей поверхности и пар образуется в виде Фиг. 61. Форма иениска пленки. В отдельных местах пар ско- и краевой угол зприсиапляется в пузыри с широкой ножкой """'""" 1~] и не'"а"и (ф . 62 б). ванин (б] поверхности фиг. 62,б). жидкостью. )26 ткплоотдача пгн измкикнии дггкгатного состояния (г . ь в 5 —:6 раз. На фиг.
64 приведена зависимость а'=Дт) для отдельных пузырьков пара по опытам Л. П. Шамшеиа [90]. Многократное увеличение объема паровых пузырей после их отрыва свидетельствует о том, что сообщаемое тепло от поверхности нагрева передается, главным образом, жидкости, затем путем конвекции пере= — носится в объем и далее используется при испарении жидкости в объем пузырей пара.
Непосредственно же от поверхности к пару передача тепла с) Ц возможна лишь в период роста пузырей до нх отрыва. ((о вследФнг. 62. Ферма паревыхпуаырьхев ствие малойповерхностиконтакна смачиваемой (а) и несмачиваемой (о) поверхностях. та пузырька со стенкой и низкой теплопроводности пара за этот период может быть передано относительно незначительное количество тепла.
Следовательно, механизм теплоотдачи при кипении остается таким же, как и при нагревании однофазной жидкости, и передача тепла в основном осуществляется путем конвекции. Если наблюдать за возникновением, ростом и отрывом пузырьков на каком-нибудь одном центре парообразования, и. ООЫ ООХО асж Х)ОЛ2 аОЮсео ООеааа — ч Фиг. 63. Скорость роста парового пуаыря при кипении воды (р= 760аси рт. ст.). то можно заметить определенную периодичность в протекании этого явления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
