Эксперименты по теплообмену при кипении бинарной системы вода-n-бутанол Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.248.2.001.24

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ТЕПЛООБМЕНУ ПРИ КИПЕНИИ БИНАРНОЙ СИСТЕМЫ

ВОДА-1Ч-БУТАНОЛ

Е.В. Лыков, Г.А. Г алка

В статье приведены результаты экспериментального исследования интенсивности теплоотдачи насыщенного кипения воды и бинарной системы вода-п-бутанол. Рассчитаны значения коэффициентов теплоотдачи. Представлена зависимость критического удельного теплового потока от концентрации в системе вода-п-бутанол

Ключевые слова: интенсивность теплоотдачи, пиковый поток, кипение

Интенсивность теплообмена при кипении жидкостей является весьма актуальной проблемой. Особенно важна также и проблема практической интенсификации - способов увеличения интенсивности процесса кипения. Повышения интенсивности теплоотдачи можно добиться использованием в качестве теплоносителя водно-спиртовые смеси, например, вода-п-бутанол. При некоторых составах таких растворов от поверхности нагрева отводят большие тепловые потоки, чем с применением одного из компонентов.

На рис. 1 представлена экспериментальная зависимость плотности теплового потока q (МВт/м2) от температуры поверхности нагревателя Г(°С). Обычно эту зависимость называют «кривой кипения», так как в этой области температур (рис. 1) происходит процесс кипения воды.

?,м 1,6

1,2

0,8 0,4

0

100 200 300 400 500 600 700 800 7, °С

Рис. 1. Кривая насыщенного кипения воды

В развитии процесса кипения можно различить три стадии. Например, в воде при монотонном увеличении температуры в поверхностном нагреве в интервале (100-108) оС, теплота передается путем

теплопроводности и конвекцией, при этом

Лыков Евгений Васильевич - ДГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (863) 218-81-26

Галка Галина Александровна - ДГТУ, аспирант, тел. (863) 218-81-26, 8-928-620-7929, e-mail: [email protected]

новые пузырьки, как правило не образуются. Они начинают появляться и быстро расти, затем появляются струи пара и в интервале (100-150) оС интенсивность процесса теплоотдачи резко возрастает достигая максимума плотности теплового потока. По данным Ван-Стралена [ _ точка максимума на кривой кипения приходится на7=150 оС. Как видно из рис. 1 точка максимума dq резко меняет направление и представляет собой явление, которое называют «кризисом теплоотдачи» при кипении жидкости. По-видимому, здесь происходит резкая смена механизма теплоотдачи при кипении.

По кривой кипения (рис. 1) нами рассчитан коэффициент теплоотдачи а (кВт/(м2 К)) и на рис. 2 представлена соответствующая зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры нагревателя а(Т).

Ш

*1 а

т 28

и

£

21 14

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Т°С

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры нагревателя при насыщенном кипении воды

В интервале температур (100-124) оС коэффициент теплоотдачи резко возрастает от 1 кВт/(м2 К) до 33 кВт/(м2 К), то есть более, чем в тридцать раз.

При дальнейшем увеличении температуры поверхности нагрева в интервале (125-180) оС коэффициент теплоотдачи стремительно убывает по величине от 33 кВт/(м2 К) до 5 кВт/(м2 К) и при увеличении температуры поверхности нагрева остается практически

неизменным по величине 5 кВт/(м2 К),

несмотря на продолжающийся рост плотности теплового потока.

Переходные процессы, с которыми связаны изменения направления кривых, объясняются с помощью теории подобия.

Конвективное движение в жидкости возникает при значениях числа Грасгофа:

Сг =

РЖ

у-АТ

где (К'1) - коэффициент теплового

расширения жидкости; g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2); / (м) - линейный размер; V (м/с2) - кинематическая вязкость жидкости; АТ = Тст — Тя (К) - изменение

температуры.

При свободной конвекции кипение представляет турбулентный процесс. В таком случае критерий Нуссельта запишем виде:

Ш = <рфху}г°-ъъ, (1)

По Новикову И. И. [ структуры кипящей жидкости можно рассмотреть как аналог фазового перехода второго рода, используя разложение по малому параметру порядка Г). В точке фазового перехода второго рода малый параметр порядка Г] можно представить в виде разности между температурой насыщения пара и температурой перегрева жидкости:

Л = а(Тпер-Т5)\

(2)

где а- коэффициент размерности Т составленный из свойств кипящей жидкости и характерного размера; Тпер (К) - температура перегрева жидкости; Т5 (К) - температура насыщения пара.

Исходя из этого и учитывая выражение (1), параметр порядка ?) можно принять в

следующем виде:

Ш

(р(?г)Сг -1 В свою очередь:

N11 =

= а{Т-ТвУ, (3)

ql

Ог = ■

[іТпер-Т8)_

РЖ

(4)

у-(т„ер-т3)

где q (МВт/м2)- тепловая нагрузка; Л (Вт/(мК) - теплопроводность.

Преобразуя (3) и (4) получаем критическую тепловую нагрузку при пузырьковом кипении:

1-

А

В(Тпер-т х

А и В - коэффициенты, представляющие собой согласно выражению (4) комбинацию из физических свойств жидкости и характерного размера /:

Л(Т„ер-Т3)и

1 + -

А

(В(тпер-т,Г)

а =------------

АТ

Как видно, такой подход приводит к установлению закона теплообмена при

пузырьковом кипении жидкостей, а также при росте тепловой нагрузки на стадии свободной конвекции предшествующей пузырьковому кипению. Аналогично устанавливаются законы теплообмена и для других режимов кипения, то есть можно установить закономерности

рассматриваемого режима теплообмена, если известны законы предшествующего режима.

Используя кривые кипения для каждого состава в бинарной системе вода-п-бутанол получена зависимость критического удельного теплового потока от концентраций в смеси вода-п-бутанол для насыщенного кипения.

Рис. 3. Зависимость критического удельного теплового потока от концентрации системы вода-п-бутанол

Опыт показывает, что в изучении водной бинарной смеси при малом содержании (1,6% по весу п-бутанола) имеет место значительное увеличение интенсивности теплоотдачи - в 2 раза по сравнению с водой. Этот факт нам представляется важнейшим моментом во всем данном исследовании. Отметим, что дальнейшее исследование данной системы вода-п-бутанол привело к обнаружению второго максимума на кривой qкр(x) при х=95% п-бутанола по весу. Этот максимум меньшей интенсивности.

Есть и другие особенности кипящей системы вода-п-бутанол. Так при концентрации >8% по весу п-бутанола интенсивность теплоотдачи оказывается меньшей, чем для воды.

Выводы:

1) В системе вода-п-бутанол

экспериментально обнаружен состав 1,6% по весу при котором теплота передается с максимальной интенсивностью.

2) Обнаружено, что в водной бинарной смеси при малом содержании п-бутанола (1,6% по весу) теплоотдача увеличивается в два раза по сравнению с водой.

3) Исследовано, что коэффициент теплоотдачи при насыщенном кипении воды в интервале температур (100-124) 0С возрастает более чем в тридцать раз от 1 кВт/(м2 К) до 33 кВт/(м2 К).

4) Опыт показывает, что кризис теплоотдачи наступает при температуре

поверхности нагревателя 1240С, а кризис кипения при температуре 1500С для насыщенного кипения воды.

Литература

1. Van Stralen S. J. D. and Cole R. Boiling Phenomena.-Washington: Hemisphere, 1979.-Vol.1.

2. Новиков И.И. Переходные режимы теплообмена при кипении жидкости // ТВТ. -1996.- т.34. № 1.- С.162-164.

3. Van Wijk W. R., Vos. A. S., Van Stralen S. J. D. Heat transfer to boiling liquid mixtures // Chem. Eng. Sci., 1956.-Vol. 5, № 1.-Р. 68-80.

4. Кружилин Г.Н. , Лыков Е.В. Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме // ЖТФ. 2000. Вып.2. Т. 70. С. 16-19.

Донской государственный технический университет

EXPERIMENTS ON THE HEAT TRANSFER DURING BOILING BINARY SYSTEM OF

WATER-N-BUTANOL

E.V. Lykov, G.A. Galka

This article describes the results of the pilot study of convective intensity saturated boiling water and a binary system of water-n-butanol. Calculated values of the coefficients of heat transfer. Provided critical dependence on the concentration of heat flow in the system of water-n-butanol

Key words: the intensity of heat transfer, peak flux, boiling