Механизм процесса теплообмена при пузырьковом кипении жидкости.

Механизм процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении достаточно сложен. Процесс ещё более усложняется, если в качестве рабочего вещества используется смесь жидкостей. Уже для бинарной смеси, имеющей в отличие от однокомпонентной жидкости две степени свободы (например, давление и концентрацию), при решении вопроса об интенсивности процесса теплообмена следует учитывать дополнительные факторы, определяющие равновесие между жидкой и вновь образующейся паровой фазой. При кипении смесей взаимно растворимых жидкостей зависимость коэффициента теплоотдачи от режимных параметров и свойств смеси значительно сложнее, чем при кипении однокомпонентных жидкостей. При кипении смесей жидкостей, не образующих азеотропных составов, зависимость

коэффициента теплоотдачи α от концентрации низкокипящего (НК) компонента смеси x имеет один экстремум – минимум (рис. 1а). При этом коэффициент теплоотдачи смеси может быть в несколько раз меньше его аддитивного значения: α = α₁·x₁+α₂·x ₂. При кипении азеотропных смесей на кривой α = f(x) можно наблюдать несколько экстремальных точек – максимум в районе концентрации азеотропного состава и два минимума, соответственно слева и справа от него (рис. 1б). Некоторое смещение максимума кривой от азеотропного состава (особенно для системы изопропанол-вода) может быть обусловлено погрешностью эксперимента.

аб

Рис. 1. Экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи при кипении бинарных систем в зависимости от

состава при плотности теплового потока 232 кВт/м² [1]: а) система метанол-вода, система

этанол-бутанол, система ацетон-бутанол; б) система пропанол-

вода, система бензол-этанол, система изопропанол-вода при q = 80 кВт/м² [2].

Поэтому использование в инженерных расчётах аддитивного значения коэффициента теплоотдачи может привести к ошибкам в выборе аппарата. С другой стороны, из-за отсутствия точного метода расчёта коэффициента теплоотдачи невозможно подобрать оптимальный режим работы проектируемого аппарата при изменении состава технологических потоков. Использование для расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении бинарной смеси критериальных уравнений для расчёта коэффициентов теплоотдачи чистых жидкостей с подстановкой в них физико-химических свойств смеси данной концентрации также не дает удовлетворительных результатов. На рис. 2 сопоставлены экспериментальные данные авторов [1] для системы этанол-вода при плотности теплового потока q = 232 кВт/м² и результаты расчёта по уравнению

(1),

которое предложено в пособии [3] для расчёта теплоотдачи при пузырьковом кипении однокомпонентных жидкостей в большом объёме. Непосредственное сравнение полученных зависимостей коэффициента теплоотдачи от состава невозможно, поскольку не совпадают экспериментальные и расчётные значения коэффициентов теплоотдачи для чистых компонентов, что может быть обусловлено особенностями эксперимента (в первую очередь, состоянием и формой греющей поверхности). Однако если экстраполировать экспериментальные данные до совпадения с расчётными значениями коэффициентов теплоотдачи для чистых компонентов, можно получить кривую, качественно характеризующую зависимость α = f(x) в условиях эксперимента, соответствующих уравнению (1). Видно, что результаты расчёта по этому уравнению ближе к аддитивным значениям коэффициента теплоотдачи, чем к экспериментальным, т.е. не имеют характерного для данной системы минимума.