Влияние пристеночного перегретого слоя на теплообмен при кипении многокомпонентных смесей жидкостей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 541.125.7

Р.Б. Комляшев, Д.М. Попов, Г.В. Терпугов.

Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия.

ВЛИЯНИЕ ПРИСТЕНОЧНОГО ПЕРЕГРЕТОГО СЛОЯ НА ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ ЖИДКОСТЕЙ.

We are considers process heat exchange forming bubble ebullition liquid. Advance supposition which process heat application to runaway bubble limit heat conductivity parietal bony layer. We are considers influence surface activity solute on thickness bony layer at ebullition multicompanent mixture liquid.

Рассмотрен процесс теплообмена при формировании пузырька пара кипящей жидкости. Выдвинуто предположение, что процесс подвода тепла к растущему пузырьку лимитируется теплопроводностью через пристеночный перегретый слой. Рассмотрено влияние поверхностной активности растворённого вещества на толщину перегретого слоя при кипении многокомпонентных смесей жидкостей.

Центральным вопросом при рассмотрении процесса теплоотдачи при кипении является вопрос образования пузырька пара. Этот процесс можно разделить на три стадии: зарождение, рост и отрыв. Поскольку на стадию зарождения тратится ничтожная часть тепла, можно принять, что весь процесс теплоотдачи связан со стадией роста пузырька. Рис. 1. Схема подвода тепла к растущему пузырьку через

Испарение жидкости в перегретый пристеночный слой.

объём пузырька происходит со всей межфазной поверхности. А, следовательно, и подвод тепла к растущему пузырьку происходит к границе раздела жидкой и паровой фазы со стороны жидкости (поскольку перенос тепла внутри пузырька от греющей поверхности незначителен вследствие низкой теплопроводности и теплоёмкости паровой фазы). Подвод тепла к поверхности может осуществляться как конвекцией, так и теплопроводностью в зависимости от того, насколько турбулизирован пристеночный слой жидкости. Схематично процесс подвода тепла к растущему пузырьку представлен на рис. 1.

В 1931 г. А. Гейдрих исследовал распределение температуры в испаряющейся жидкости. Он обнаружил, что возле поверхности нагрева существует тонкий пристеночный слой толщиной около 1 мм, где температура жидкости резко уменьшается от температуры поверхности нагрева до температуры основной массы кипящей жидкости. Причём это уменьшение имеет линейный характер, что, по утверждению Е. И. Несиса [1], свидетельствует о том, что у поверхности нагрева существует перегретый слой жидкости, внутри которого перенос тепла происходит путём теплопроводности. К аналогичным результатам пришли и другие авторы (К. Левен, К. Ямагата, Б. Маркус, Д. Дропкин, В. И. Субботин, Д. Н. Сорокин, Н. И. Макаров, Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов). На рис. 2. представлено распределение температуры в объёме жидкости над горизонтальной поверхностью нагревателя при стационарном кипении, полученное в 1931-1935 гг. М. Якобом и сотрудниками. Более поздние экспериментаторы устано-

т, °с но

108

106

т

102

/00

Сбое ¿едя 601. 7Я М 70,4 ТНОС "О ™п ар, ■

1 ши,и ъ

0 ]

0 12 3 4 6

6 7 8

г, см

Рис. 2. Распределение температуры в объёме кипящей жидкости.

вили, что линеиныи характер падения температуры наблюдается лишь в слое толщиной 0,1 мм, а затем оно замедляется.

Таким образом, подвод тепла к растущему пузырьку пара лимитирует процесс теплопроводности через перегретый пристеночный слой жидкости, поскольку толщина этого слоя существенно меньше диаметра пузырька пара. Если пренебречь другими факторами, влияющими на коэффициент теплоотдачи, то при толщине пристеночного слоя 0,1 мм и теплопроводности воды 0,68 Вт/(мК) коэффициент теплоотдачи при кипении воды имеет порядок 6,8 кВт/(м2К), тогда как при кипении воды в большом объёме экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи варьируются от 5 до 20 кВт/(м К).

Многочисленными экспериментами установлена существенная нелинейность зависимости коэффициента теплоотдачи в бинарных растворах от состава (рис. 3). Эта зависимость проходит через минимум, который может быть в 2 - 3 раза меньше, чем коэффициенты теплоотдачи для чистых жидкостей. При рассмотрении процесса теплоотдачи при кипении многокомпонентных смесей жидкостей Д. М. Поповым было введено понятие псевдоравновесного процесса [2], в соответствии с которым образование пузырька рассматривается как испарение квазиизолированной частицы жидкости в закрытой системе, и образовавшийся пузырёк пара, прежде чем попасть в основную массу жидкости, должен быть приведён в состояние равновесия. Таким образом, процесс теплоотдачи включает в себя два процесса: процесс формирования пузырька пара и процесс его релаксации, каждому из которых может быть сопоставлен соответствующий коэффициент теплоотдачи. Данный метод, далее именуемый стандартным, хорошо описывает смеси, состоящие из близких по своим

физическим свойствам жидкостей, однако дает неудовлетворительные результаты для водных растворов неэлектролитов (например, для водных растворов спиртов).

Причина такого поведения водных растворов, несомненно, связана с какой-то физико-химической характеристикой этих систем. Представляется, что наиболее близкой по характеру влияния является поверхностное натяжение, которое для водноспир-товых растворов является существенно нелинейной, поскольку спирты по отношению к

40 вО

Состав, мол.%.

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от концентрации спирта при

кипении смеси этанол-вода (Я = 232 кВт/м2): 1 - экспериментальный коэффициент теплоотдачи (источник [3]); 2 - коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по стандартной методике.

воде являются поверхностно активными веществами (рис. 4). При наличии поверхностной активности возникают большие изменения поверхностного натяжения при изменении состава, особенно в области малых концентраций спирта. Известно, что такие изменения приводят к так называемому эффекту Марангони. При наличии градиента поверхностного натяжения возникает тангенциальная сила, вызывающая конвективное движение вдоль поверхности раздела фаз. А любое, даже самое небольшое, конвективное движение, приводит к значительно большему переносу вещества, по сравнению с молекулярной диффузией. Поэтому в водноспиртовых растворах наличие конвективных потоков весьма вероятно, вследствие чего первичный пузырёк пара, возникший из квазиизолированной частицы, не является полностью изолированным. Вследствие предварительного массообмена между квазиизолированной жидкой частицей и пузырьком пара, состав квазиизолированной частицы меняется, она обогащается высококипящим компонентом (водой).

Таким образом, пристеночные области кипящей жидкости, в частности перегретый слой, обогащаются вы-сококипящим компонентом, что повышает его устойчивость. Обогащенный тяжёлым компонентом пристеночный слой расширяется (снижается скорость его выкипания), что замедляет поступление тепла к растущему пузырьку и, как следствие, к общему снижению коэффициента теплоотдачи.

Список литературы

1. Несис Е. И. Кипение жидкостей.- М.: Наука, 1973.- с.26.

2. Попов Д. М. Теплоотдача при кипении растворов жидкостей. ТОХТ, 2002, Т. 36, №5.- с. 461.

3. Григорьев Л. Н., Усманов А. Г. Теплоотдача при кипении бинарных смесей. ЖТФ, 1958, Т. 28, №2.- с. 325.

УДК 66.065 + 66.048

А.А. Лесикова, С.К. Мясников

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия

ОЧИСТКА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В СОВМЕЩЕННОМ ПРОЦЕССЕ ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ-ГРАНУЛЯЦИИ

A semicontinuous combined process of the purification of organic compounds is proposed which is based on the combination of crystallization and granulation with distillation in the region of the three-phase va-

(.'«■ПО, Ч" 1 %.

Рис. 4. Поверхностное натяжение водных растворов спиртов в точке насыщения (пунктирной линей показаны экспериментальные значения, сплошной -результат расчёта по методу Тамуры и др).