Гидродинамические закономерности теплообмена при конденсации и кипении.

4) Заключение.
Рассмотренные явления кипения и конденсации имеют громадное значение, с ними каждый человек сталкивается ежедневно. В работе были сознательно пропущены многие сложные формулы и вычисления, так как подробные вычисления лежат на границе наших познаний. В частности для описания этих процессов нужно подробно рассматривать теорию ламинарных и турбулентных течений. Главное уравнение, описывающее вихревое течение,- уравнение Навье-Стокса - не имеет точного численного решения. Решение этого уравнения - одна из главных задач современной науки.
Данная работа показывает всю сложность привычных процессов, от протекания которых зависят не только решения ряда бытовых задач каждого человека, но и функционирование сложных технических систем, обеспечивающих производственные мощности и жилищн ...

Оглавление
1) Введение. 2
2) Закономерности теплообмена при конденсации. 3
3) Закономерности теплообмена при кипении. 10
4) Заключение. 20
5) Использованные источники. 21

1) Введение.
С процессами, в которых происходят фазовые переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое, человечество знакомо давно. Эти процессы давно привлекают внимание ученого мира, но до сих пор таят в себе немало тайн. При построении достаточно точных теорий процессы фазовых переходов оказываются достаточно сложными и требуют применения сложного математического аппарата, современных средств программного и аппаратного обеспечения. В данной работе изложены некоторые общие закономерности переноса тепловой энергии при конденсации и кипении веществ.
Конденсация и кипение представляют собой взаимообратные процессы. Возможность прогнозировать эти процессы очень важна для прикладных задач естествознания (например, в метеорологии) и для проектирования производственных мощностей (хи мическая промышленность, металлургия и т.д.).

Если пар обладает влажностью х, то часть влаги будет выпадать вместе конденсирующимися порциями пара. Наибольшее количество влаги, могущее выпасть на поверхности пленки конденсата, равно влагосодержанию сконденсировавшегося пара. Количество тепла, выделяющееся при выпадении на поверхности охлаждения 1 кг конденсата (включая влагу пара), равно φr, где (1 — x)<φ< 1 Следовательно, если для сухого насыщенного пара имеется зависимость α(r), то для влажного пара при прочих равных условиях 1>α/α0>α[r(1-x)]/α(r)Здесь α— коэффициент теплоотдачи при заданном х, α0 — то же при х = 0.Из последней формулы следует, что при ламинарном течении наличие влажности пара несколько ухудшает теплоотдачу, а при турбулентном — несколько улучшает. Однако это влияние невелико. Процесс конденсации перегретого пара начинается также при соприкосновении с поверхностью, имеющей температуру ниже температуры насыщения. Для возникновения процесса капельной конденсации необходимо существование центров конденсации. Вследствие температурного градиента в каплях и микропленках конденсата возникает течение с характерной скоростью w = (ΔT/μ)(∂σ∂T), определяемой взаимодействием термокапиллярной силы и вязкого трения в конденсате. Используя величины Rk и w, можно образовать критерии Нуссельта и Рейнольдса. В многочисленных теплообменных аппаратах происходит непосредственное соприкосновение пара со струями жидкости. В этом случае повышается скорость конденсации пара и создается возможность значительного развития поверхности охлаждения путем дробления потока жидкости на отдельные тонкие струи и капли. Одновременно при непосредственном соприкосновении с паром жидкость дегазируется, что особенно важно при подготовке питательной воды паровых котлов и других агрегатов. Теоретическое рассмотрение такой задачи относительно просто в предположении, что струя жидкости является непрерывной на всем расчетном участке, а влиянием пульсаций, обусловленных взаимодействием сил тяжести, инерции и поверхностного натяжения, можно пренебречь. Полученные для этих условий соотношения справедливы от устья сопла до места начала распада струи на капли. В области дробления струи практически приходится ограничиваться только опытом.Условие отсутствия заметного изменения скорости струи на ее границе с паром выполняется только при малых относительных скоростях течения фаз. При больших скоростях трение струи о пар создает пограничный слой с сильно меняющимися скоростями. В таком слое коэффициент турбулентной теплопроводности становится переменным по сечению струи, и интенсивность теплообмена начинает резко возрастать. Г. Н. Абрамовичем и Проскуряковым была рассмотрена такого рода задача, причем в решении учитывалось термическое сопротивление, только образующегося пограничного слоя в жидкой струе, но не ядра струи. Н. М. Зингером были проведены опыты со струями, вытекающими в паровое пространство со скоростями 10—25 м/с. Измерения полей температур на различных расстояниях от сопла показали, что имеет место значительная деформация поля температур, связанная, в частности, с нарушением сплошности жидкой струи.3) Закономерности теплообмена при кипении.Кипением называется процесс парообразования в толще жидкости. Кипение начинается тогда, когда температура внутри жидкости оказывается выше температуры насыщения (кипения) при данном давлении. Если в жидкость погружена некоторая поверхность нагрева, температура которой выше температуры насыщения при данном давлении (Тст > Т′′), то на ней возникает процесс парообразования. Величина перегрева жидкости в момент вскипания по сравнению с температурой насыщения при данном давлении над плоскостью зависит от наличия тех или иных потенциальных центров парообразования (микровпадины, микропузырьки газа, искусственные неоднородности на поверхности нагрева и т. п.). Эти эффекты имеют значение при малых плотностях теплового потока. Если вся жидкость значительно перегрета против температуры насыщения (например, в результате резкого сброса давления,) то паровые пузыри образуются по всей ее толще— жидкость вскипает во всем занимаемом ею объеме. В зависимости от плотности теплового потока, подводимого к жидкости через поверхность нагрева, на последней возникают отдельные паровые пузыри или образуется сплошной слой пара. Первый процесс называется пузырьковым кипением, второй — пленочным. При пузырьковом кипении жидкость непосредственно омывает поверхность нагрева, причем ее пограничный слой интенсивно разрушается (турбулизуется) возникающими паровыми пузырями. Кроме того, всплывающие пузыри увлекают из пристенного слоя в ядро потока присоединенную массу перегретой жидкости, что создает интенсивный молярный перенос теплоты от поверхности нагрева к массе кипящей жидкости. Следствием этого является высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении, возрастающая с увеличением числа действующих центров парообразования и количества образующегося пара. При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности нагрева слоем пара, с внешней стороны которого время от времени отрываются и всплывают крупные пузыри. Вследствие относительно малой теплопроводности парового слоя интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении существенно меньше, чем при пузырьковом.Возникновение того или иного вида кипения определяется плотностью теплового потока у поверхности нагрева, ее физическими свойствами (в частности, смачиваемостью), физическими свойствами жидкости и гидродинамическим режимом потока в целом. Условия перехода от одного режима (вида) кипения к другому и области их существования отчетливо выявляются при построении зависимости коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока, или разности температур поверхности нагрева и насыщения: ΔT = Тст — Т". При постепенном увеличении теплового потока, задаваемого независимо от процесса теплообмена в кипящей жидкости (радиоактивный распад, электрообогрев и т. п.), по достижении определенного состояния пузырьковое кипение скачкообразно сменяется пленочным. Возврат к пузырьковому кипению обычно происходит при значительно меньшем тепловом потоке, чем при пленочном кипении. Таким образом, имеет место определенный гистерезис в тепловых и гидродинамических явлениях, связанных с переходом от одного режима кипения к другому. Приходится говорить о двух критических плотностях теплового потока: при которой происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, и при которой происходит разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения. В области значений плотности теплового потока, лежащих между ними и возможно устойчивое существование обоих режимов кипения или даже их длительное совместное сосуществование на разных частях одной и той же поверхности нагрева. Паровая пленка обычно возникает в отдельных местах поверхности нагрева при достижении значений q значительно больших критических и далее с конечной скоростью распространяется по всей поверхности нагрева. Аналогично при снижении теплового потока до значений q < qкр происходят локальные разрушения пленки с последующим распространением пузырькового кипения на всю поверхность нагрева. На поверхностях нагрева, обедненных центрами парообразования, процесс кипения имеет нестабильный характер, а интенсивность теплообмена колеблется между условиями конвекции однофазного потока и развитого пузырькового кипения. При этом возможен непосредственный переход от однофазной конвекции жидкости к режиму пленочного кипения. Нормальный процесс перехода от пузырькового кипения к пленочному впервые был изучен экспериментально Никайямой. Процессы нестабильного кипения впервые детально были изучены в работах В. И. Субботина и Д. Н. Сорокина, С. С. Кутателадзе, Н. Н. Мамонтовой и Б. П. Авксентюка.Температура жидкости и пара вблизи раздела фаз равна температуре фазового превращения (насыщения), соответствующей давлению в данной точке (с учетом кривизны границы раздела фаз). При пузырьковом кипении, когда поверхность нагрева непосредственно омывается жидкостью, основное падение температуры происходит в тонком пристенном слое жидкости. В этом случае вследствие высокой интенсивности теплоотдачи конвектирующей жидкости и малой теплопроводности пара можно считать, что практически все тепло передается от поверхности нагрева к жидкости, а затем уже паровым пузырям путем испарения в них жидкости. При пленочном кипении тепло передается непосредственно пару, находящемуся в слое, отделяющем жидкость от поверхности нагрева, и далее идет на испарение жидкости с границы раздела фаз. Таким образом, в паровом слое устанавливается непрерывное поле, изменяющееся от температуры поверхности нагрева до температуры насыщения. Изложенное хорошо иллюстрирует то обстоятельство, что при теплообмене, сопровождающемся изменением агрегатного состояния, температурный напор может существовать в любой из фаз, как в возникающей (в данном случае пар), так и в исчезающей (в данном случае жидкость). В ряде случаев (закалка, непрерывное литье металлов, охлаждение двигателей и т. п.) поверхность нагрева может иметь температуру, существенно большую температуры насыщения, хотя основная масса охлаждающей жидкости остается недогретой до этой температуры. В таком случае имеется некоторая изотермическая поверхность, по одну сторону которой жидкость перегрета, а по другую недогрета до температуры насыщения. Первая область называется кипящим граничным слоем, вторая — холодным ядром потока. В первой происходит парообразование, во второй — конденсация пара. При пузырьковом кипении паровые пузыри возникают в отдельных местах поверхности нагрева — центрах парообразования. Вырастая до определенного размера, паровые пузыри отрываются и всплывают в толще жидкости, образуя над центром парообразования столбы пара. При этом перегрев основной массы жидкости весьма невелик (порядка 0,01—0,1° С). Поэтому при наличии на поверхности нагрева или в объеме жидкости достаточного числа центров парообразования кипение практически начинается по достижении поверхностью нагрева температуры, на десятые доли градуса превышающей температуру насыщения жидкости при данном давлении. Однако если поверхность обеднена центрами парообразования, жидкость в сосуде может быть значительно перегрета. Например, в гладкой, хорошо промытой стеклянной колбе дистиллированная и дегазированная вода может быть легко нагрета до 115—120° С при атмосферном давлении, а при особой тщательности опыта и более 200° С. Перегретая жидкость при введении в нее предметов, которые могут служить центрами парообразования (песчинки, пузырьки воздуха и т. п.), мгновенно вскипает, образуя в начале процесса большие пузыри пара, и ее температура снижается до нормального уровня. Обнаруживается также влияние материала поверхности нагрева на температуру закипания чистой жидкости. Установлено, что центрами парообразования являются микроуглубления в поверхности нагрева, заполненные воздухом или другим газом. Скорость роста пузыря на стенке увеличивается обратно пропорционально плотности пара, т. е. с уменьшением давления. Вследствие этого при кипении под давлением меньше атмосферного наблюдается резкое увеличение отрывных диаметров паровых пузырей и существенной частоты их образования. При значительном вакууме пузырьковое кипение на гладких поверхностях отсутствует, а за режимом свободной конвекции жидкости непосредственно возникает пленочное кипение.Скорость роста паровых пузырей является некоторой характеристикой гидродинамического режима в пристенном слое кипящей жидкости, поскольку процесс роста паровых пузырей создает интенсивную турбулизацию жидкости около поверхности нагрева, на что впервые указал Якоб. При кипении на поверхности нагрева, погруженной в большой объем жидкости, паровые пузыри, отрываясь, поднимаются в толще жидкости к зеркалу испарения (т. е. к свободному уровню кипящей жидкости). Движение пузырей имеет вероятностный характер. При кипении внутри труб активное взаимодействие фаз распространяется по всему сечению потока и гидродинамическая картина течения существенно осложняется. Если расположение труб вертикальное, то осредненное движение параллельно вектору силы тяжести и симметрично относительно оси трубы. Возникающие в этом случае колебания плотности парожидкостной смеси в радиальном направлении связаны только с турбулентными пульсациями.