Теплофизика процессов кипения и конденсации Трошенькин Б. А., Трошенькин В. Б icon

Теплофизика процессов кипения и конденсации Трошенькин Б. А., Трошенькин В. Б



Смотрите также:
Литература 21
П оршневой холодильный компрессор марки...
Конспект открытого урока в 8 классе по теме «Кипение»...
«экспериментальная теплофизика и аэрогидромеханика»...
Учебно-методический комплекс...
Учебно-методический комплекс...
Памятка для студентов групп тгв 21-22 по изучению дисциплины «Строительная теплофизика»...
Эта скандальная строительная теплофизика...
Рабочая программа по дисциплине теплопередача в промышленных аппаратах (наименование дисциплины)...
Рабочая программа по дисциплине теплопередача в промышленных аппаратах (наименование дисциплины)...
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 01. 04...
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 01. 04...



скачать




теплофизика процессов кипения и конденсации

Трошенькин Б. А., Трошенькин В. Б.


Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины, г. Харьков, Украина. troshenkin@rambler.ru, 80674242719


Не вызывает сомнения, что эволюция общих представлений о фазовых превращениях происходит в направлении все увеличивающейся простоты логических основ. Продолжается поиск элементарных закономерностей, из которых путем чистой дедукции можно получить картины процессов кипения и конденсации. Вряд ли следует считать удовлетворительным сегодняшнее состояние теории теплообмена, когда для каждого конкретного случая фазовых превращений строится своя критериальная зависимость, причем без какого-либо объяснения степени влияния того или иного параметра.

В последнее время делаются попытки усовершенствовать методы расчета испарителей и парогенераторов на базе закономерностей гидромеханики. Однако успех может сопутствовать лишь тем исследователям, которые учитывают термодинамические особенности процессов кипения и конденсации.

В предыдущем нашем сообщении рассмотрены недостатки и намечен путь дальнейшего развития принятых методов расчета [1]. В настоящем докладе изложен один из вариантов решения затронутой проблемы. Вариант составлен таким образом, чтобы исключить недоразумения, возникающие при выборе и использовании теплоносителей. Иными словами, основное внимание обращено на конденсацию первичного пара в межтрубном пространстве испарителей.

Поскольку конденсация паров проходит при незначительном отклонении от состояния равновесия, то, соглано Де Донде кинетические данные могут быть представлены через химические потенциалы [2]

dGi / d= A ∙ d/d  ,

где dGi - энергия Гиббса; A - химическое сродство;  - массовое влагосодержание, кг конденсата/кг парожидкостной смеси;  - время, с;

A = ( i = 1, …, I), ( j = 1, …, J),

где i - стехиометрические коэффициенты процесса испарения, рассматриваемого в виде химической реакции; i - химический потенциал;

i = ,

где P, T, ni - индексы, означающие постоянство давления, температуры и массовых концентраций компонентов, кроме i - того компонента.

В нашем случае рассматривается лишь переход одного вещества из пара в жидкость, поэтому достаточно соблюдать требование постоянства давления и температуры.

Поскольку топохимические факторы ограничивают скорость конденсации, то для расчета теплоотдачи в первом приближении можно принять линейную зависимость [3]

d/d = L · 

или если принять за основу скорость конденсации пара на единицу поверхности, то расчетная зависимость примет вид:

W = L* ·  (1)

где W - скорость конденсации, кг/(м2 · с); L и L* - кинетические коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.

Между скоростью конденсации и тепловой нагрузкой существует строгая связь

q = W · r ,

где q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; r - теплота конденсации Дж/кг.

В итоге для случая передачи тепла через стенку можем записать

q = Wе · rе = ׳e · te · (De /Di ) = 1/ · tp = ׳i · ti = Wi · ri ,

где ׳ - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 · град); t - температурный напор, град.; D - диаметр испарительной трубки, м;  - термическое сопротивление. Индексы: e - внешний; i - внутренний, p - стенка

Как видим, отдельные стадии процесса теплопередачи контролируются сопряженными между собой потенциалами различной природы.

Предлагаемый метод расчета испарителей более универсален, чем известные до сих пор методы, но содержит в себе определенную трудность по оценке кинетического коэффициента L*. Как показывают предварительные исследования величина L* является функцией многочисленных факторов, обеспечивающих зародышеобразование при различных режимах либо на пленке конденсата либо на внешней поверхности испарительных труб.

В связи с этим создается впечатление, что трудности, сопровождающие обобщение опытных данных методами формальной кинетики, просто переносятся в область действия термодинамики необратимых процессов, не внося существенного улучшения в теорию теплообмена в целом.

Тем не менее введение химического потенциала в качестве движущей силы процессов фазовых превращений вместо температурного напора само по себе позволяет физически правильно объяснить причины, например, низкой скорости передачи тепла в испарителях, обогреваемых высокотемпературными органическими теплоносителями, по сравнению со случаем их обогрева водяным паром.

Такую же ясность необходимо внести в оценку значений коэффициента L* уравнения 1. С этой целью обратимся к закономерностям теплообмена в испарителях со стекающей пленкой [4, 5].

На рис. 1 представлена конструкция одного из применяемых типов пленочных испарителей.

Во время работы испарителя жидкость через штуцер А поступает в распределительную камеру 7, растекается по ее периметру и переливается через зубчатые кромки обечайки 5, затем поток подтекает к трубам 2, пройдя нижние прорези в цилиндрической перегородке 4. Далее жидкость вновь поднимается вверх до торцов труб 2. При входе внутрь труб через тангенциальные прорези жидкость приобретает вращательное движение, за счет чего равномерно распределяется по внутренней поверхности и стекает вниз. Греющий пар по штуцеру С подают в нагревательную камеру 1. В результате передачи тепла через стенки труб стекающая пленка раствора частично испаряется. Часть образующегося пара поднимается в камеру  7 и через штуцер В отправляется в конденсационную систему. В нижней части аппарата расположен сепаратор (не показан на схеме), в котором основная масса удаляемого вторичного пара очищается от капель.





Рисунок 1 − Испаритель со стекающей пленкой.

1 – нагревательная камера; 2 − испарительная труба;

3 – трубная доска;

4 – цилиндрическая перегородка с нижними прорезями;

5 – цилиндрическая перегородка с верхними прорезями;
6 – смотровое окно;

7 – корпус распределительного устройства;

8 – положение пенных пробок.

Штуцеры:
А – ввод раствора;
В – выход вторичного пара;
С – вход первичного пара;
Д – удаление газов


В первичном паре, как правило, содержится некоторое количество воздуха. По мере конденсации пара воздух скапливается под трубной решеткой 3, откуда эвакуируется в атмосферу через штуцер Д.

Наблюдения показали, что вблизи торцов трубок 2 в процессе испарения образуются пенные пробки. Пробки непрерывно пульсируют и периодически перебрасывают избыток жидкости из трубки в трубку, тем самым, выравнивая сопротивление каналов течению парожидкостных потоков.

Интенсивность теплообмена в аппарате со стекающей пленкой примерно в 2 – 2,5 раза выше, чем в аппаратах с естественной циркуляцией. Применение пульсирующего распределительного устройства позволяет концентрировать в пленочных аппаратах растворы со значительными механическими примесями.

На рис. 2 представлена конструкция одного из типов пульсирующего распределительного устройства.



Сечение устройства





Внутренний вид устройства



Рисунок 2 − Пульсирующее распределительное устройство с шарами

Основным элементом пульсирующего устройства являются полые шары (дроссельные элементы) 4, расположенные на верхних концах теплопередающих труб 2, закрепленных в трубной решетке 3. Трубы размещены в испари тельной камере 11, питаемой паром через штуцер 1. Над шарами помещена перфорированная пластина 5. Распределительная камера 6 снабжена пульсатором 8 с клапанами 7, штуцерами для подвода раствора 10 и выхода вторичного пара 9. Исходный раствор при подаче его в нижнюю часть распределительной камеры в момент, когда дроссельные элементы опущены, растекается ровным слоем по всей трубной решетке. При движении поршня пульсатора вверх в распределительной камере создается разрежение относительно давления в испарительных трубах. Дроссельные элементы поднимаются. Поскольку каждый дроссельный элемент выполнен в виде полого шара и при подъеме центр шара перемещается по траектории, близкой к оси трубы, то в результате перемещения образуется кольцевая щель равной толщины. В эту щель поступает определенное количество жидкости. При движении поршня вниз открываются клапаны 7, и пар, поступивший в момент подъема шаров из труб в распределительную камеру, направляется в сепаратор. Шары возвращаются на место, причем под действием силы тяжести они устанавливаются строго по центру труб. Далее все повторяется сначала. При движении вниз и вверх шары хаотично вращаются вокруг своего центра тяжести. Стекающая в пульсационном режиме пленка упаривается, затем отделяется от вторичного пара в сепараторе. Снижение плотности пульсирующего орошения в 7–10 раз (по сравнению с применяемым в известных распределителях дает значительный выигрыш в электроэнергии, несмотря на некоторое потребление ее пульсатором. Устройство не засоряется. С увеличением диаметра аппарата до нескольких метров перфорированная пластина снабжается регулирующими винтами, установленными над каждым дроссельным элементом. Одновременно вместо поршневого пульсатора на штуцере выхода вторичного пара устанавливается трехходовой пневматический клапан для попеременного соединения распределительной камеры с паровым пространством данного аппарата и с вакуумной системой установки. В качестве генератора импульсов вместо трехходового крана может быть использован пульсатор с вращающимся ротором, оснащенным электродвигателем с вариатором. Устройство позволяет ликвидировать асимметрию, обусловленную подачей раствора в распределительную камеру в одном месте, и добиться полной геометрической симметрии стекающих потоков в отдельных трубах и по сечению аппарата. При конструировании пульсирующего распределителя использовалось минимальное количество элементов, соблюдалась их полная симметрия. Любое усовершенствование устройства приводит либо к нарушению симметрии элементов, либо к увеличению их числа. То и другое влечет за собой рост конфигурационной энтропии и, как следствие, больший расход материала и энергии на его изготовление и эксплуатацию. Кроме того, ухудшается качество теплочувствительного продукта.

Таким образом, ориентация на законы симметрии позволяет обоснованно и результативно решать конкретные задачи распределения потоков жидкостей и газов в аппаратах. Снижение скорости течения потока в начальной стадии и прерывистость потока в последующей, сопровождающиеся изменением направления поля скоростей, являются необходимыми и достаточными условиями распределения жидкости в гравитационном поле.

Выбор пленочных испарителей для изучения кинетических особенностей фазовых превращений не является случайным. В этих аппаратах конденсация первичного пара в межтрубном пространстве и образование вторичного пара в трубном пространстве проходят примерно в равных гидродинамических условиях. Иными словами, скорость стекания конденсатной пленки и ее толщина могут быть весьма близкими к аналогичным параметрам стекающей пленки концентрируемого продукта. Это касается, например, конденсации водяного пара и испарения пленки чистой воды. Тем не менее, для рассматриваемого случая коэффициенты теплоотдачи с внутренней стороны нагревательных труб оказываются в 4 - 5 раз ниже, чем с внешней стороны. Очевидно, что в системах конденсации и испарения действуют силы, существенно изменяющие ход процессов. Создавая примерно равные гидродинамические условия взаимодействия конструкции аппарата с протекающими через ее элементы внутренним и внешним потоками, удается в чистом виде выявить влияние этих сил на интенсивность теплообмена.

Выделенные нами условия касаются лишь начального этапа приближенного расчета, когда силовое воздействие паровых потоков на стекающие пленки еще сравнительно слабое.

В итоге наиболее значительными оказались силы притяжения между молекулами пара, силы, развивающиеся между молекулами пара и жидкостью на поверхности труб и, наконец, гравитационные силы, в той или иной мере проявляющие себя при изменении геометрии труб и формы их поверхности.

Математически влияние перечисленных сил можно выразить в виде уравнения

, (2)


где L* − кинетический коэффициент входящий в уравнение (1);

f(P) − величина, зависящая от давления в системе;

f(σ) − величина, зависящая от поверхностного натяжения продукта или конденсата;

f(h, D, l) − величина, являющаяся функцией состояния поверхности теплообмена, диаметра и длины испарительных труб.

По сути дела структура уравнения (2) составлена по аналогии со структурой уравнения коэффициента теплопередачи.

Остановимся подробнее на физической природе введенных величин.

Проанализируем функцию f(P). Как известно, для описания состояния реальных газов применяется уравнение Ван-дер-Ваальса [6]

,

где P, V и T − соответственно давление, объем и термодинамическая температура; R − универсальная газовая постоянная; a и b − коэффициенты, зависящие от природы газа. Причем коэффициент «a» учитывает силы меж молекулярного взаимодействия, а коэффициент «b» − объем молекул.

Отклонение поведения реальных газов от закона состояния идеального газа характеризуется коэффициентом сжимаемости ^ Z, вычисляемом по уравнению [7]

Z = PV/RT


На рисунке 3 представлены зависимости коэффициента Z от давления для различных газов. Как видим, большинство газов при незначительном повышении давления снижают свой объем. Это происходит за счет внутреннего давления, возникающего в результате притяжения молекул между собой. Причем этот эффект резко возрастает для конденсирующихся газов, что сопровождается ассоциацией молекул в глобулы вблизи поверхности теплообменных труб. Скорость образования глобул определяется значением функции f(P).



Рисунок 3 − Отклонения от закона состояния идеального газа для некоторых газов при 273 К, характеризуемые коэффициентом сжимаемости Z = PV/RT


Следующей по своей значимости является функция f(σ).

Как известно, поведение системы «насыщенный пар-жидкость» подчиняется уравнению Гиббса-Томсона

 (1/r1 – 1/r2) , (3)

где индексами 1 и 2 отмечены радиусы двух капель, а давление пара над ними соответственно Р1 и Р2. Другие обозначения: ρж − плотность жидкости; М − молярная масса; σ − поверхностное натяжение на границе жидкость-пар (с примесью воздуха).Уравнение выражает зависимость между давлением пара и кривизной поверхности капель жидкости [8].

Поверхностное натяжение является мерой стремления системы сократить площадь поверхности раздела.

Как следует из уравнения (3), давление пара обратно пропорционально радиусу капель жидкости. Над мелкими каплями оно больше, в результате чего жидкость из мелких капель перегоняется в большие. По мере роста большие капли объединяются в струйки, смыкание которых формирует конденсатную пленку. Как видим, скорость данного процесса в основном определяется величиной σ.

Функция f(Δ, D, l) является последней искомой величиной в уравнении (2). Известно, что по мере увеличения длины нагревательных труб (l) толщина пленки конденсата увеличивается настолько, гравитационные силы переводят ее стекание из ламинарного в турбулентный режим. В настоящее время освоены трубы с рифленой внешней поверхностью. Высота продольных конических гофр ) и диаметр нагревательной трубки (D) определяют условия разрушения сплошной конденсатной пленки на отдельные струйки, стекающие в турбулентном режиме. Таким образом, три фактора, зависящие, в основном, от поверхностного взаимодействия фаз, увеличивают скорость тепломассообмена при конденсации.

Эти же силы препятствуют образованию пузырьков пара из жидкости в трубном пространстве.

Поскольку поверхностная энергия по своей величине не превышает 25 % от объемной [9], то следовало бы ожидать однократного превышения скорости конденсации водяного пара над скоростью испарения воды. Так как наблюдаемое различие в интенсивности теплообмена значительно выше, то можно заключить, что верхние части нагревательных труб обеспечивают теплообмен в режиме капельной конденсации водяного пара.

В работе [10] перечислены другие особенности процессов кипения и конденсации. Поэтому опытные данные желательно вначале обобщить уравнением Ерофеева

Z = 1 –  (4),

где ,

Vτ − объем пара, образующегося за время τ; ; Vmax − общий объем получаемого пара; k − константа скорости роста паровой фазы, зависящая температуры;
n − постоянная, указывающая на каких геометрических элементах поверхности теплообмена зарождаются пузырьки пара.

Уравнение (4) описывает некоторую сигмоидную кривую системы αZ − τ . В точке перегиба этой кривой, где поверхность генерирования пузырьков приближается к поверхности теплообмена аппарата, становится возможным применение уравнения (1).


Использованная литература:

1. Трошенькин Б. А. Теплообмен при кипении и конденсации/Сб. тез. докл. 6-ой Междунар. науч. школы-конф. "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", 22-28 сент. 2008 г., - Алушта, 2008. - С. 71-73.

2. Де Донде Т., Ван Рисельберг П. Термодинамическая теория сродства. -М.: Металлургия, 1984. -136 с.

3. Булатов Н. К., Лундин А. Б. Термодинамика необратимых физико-химических процессов. - М.: Химия, 1984. - 336 с.

4. Трошенькин Б. А. РТМ 26-01-71-75. Испарители со стекающей пленкой: Методика теплового и гидромеханического расчета. - Хим. и нефтеперера-батывающее машиностроение, 1975. - № 5. - С. 4-5.

5. Трошенькин Б. А. Циркуляционные и пленочные испарители и водородные реакторы. Киев: Наук. думка, 1985. -176 с.

6. Ястржембский А. С. Техническая термодинамика. - М., - Л.: Госэнерго-издат, 1960. - 496 с.

7. Дикерсон Р. Основные законы химии. В 2-х т./ Дикерсон Р, Грей Г., Хетт Дж. – М.: Мир, 1982. – Т 1. – 654 с.

8. Комарь Н. П. Химическая метрология. Гетерогенные ионные равновесия. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1984. -208 с.

9. Грег С. Адсорбция, удельная поверхность/Грег С., Синг К. - М.: Мир, 1984. - 306 с.

10. Физическая энциклопедия. - М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1980. - С. 219, 364-366, 437.




Скачать 145,59 Kb.
оставить комментарий
Дата26.09.2011
Размер145,59 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх