Содержание к диссертации
стр.
УСЛОШЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ J/
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛООБМЕНЕ ПРИ КИПЕНИИ
В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ ШНАРНЫХ РАСТВОРОВ 12
Фазовые равновесия в бинарных растворах ^2
Обилие закономерности теплообмена №
Методы расчета теплоотдачи 3*/
Кипение растворов органических соединений
с маслами Ч<
1.5. Выводы 52
2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МАТЕМТЙЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕПЛО
ОБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ШНАРНЫХ РАСТВОРОВ В БОЛЬШОМ
ОБЪЕМЕ 55
2.1. Оба компонента присутствуют в паровой
и жидкой фазах 55
2.2. Кипение с нелетучим компонентом 63
3. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА И ИХ СВОЙСТВА 65*
3.1. Задачи экспериментального исследования и
общая характеристика рабочих веществ 65
Теплофизические свойства смазочных масел ........ б?
Физические свойства растворов *5
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 1$
4.1. Установка для определения зависимости давления
от концентрации и температуры раствора 13
4.2. Методика и результаты экспериментов по
стр.
4.3. Установка для проведения экспериментов
по кипению 90
Методика и результаты экспериментального исследования теплоотдачи #3
Анализ и обобщение опытных данных
по теплоотдаче Ю7
5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ /3?
Расчетные рекомендации 137
Методика теплового расчета выпарного
аппарата 139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147
ЛИТЕРАТУРА 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 165
Термодинамические свойства растворов 165
Экспериментальные данные по теплоотдаче 167
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
С - массовая доля компонента в растворе, ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К), d0 - отрывной диаметр парового пузыря, м, 5)м - коэффициент молекулярной диффузии, йг/е, 3)т - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с, )дф- коэффициент эффективной диффузии, м2/с, f - площадь поверхности теплообмена, м2, - частота отрыва паровых пузырей, с"*1, h - удельная энтальпия, Дж/кг, 1 - плотность потока массы, кг/См2»с), М - масса молярная, г/моль, її] - масса, кг, /7] - расход массовый, кг/с, р - давление, Па, Q. - теплота, Дж, 0. - плотность теплового потока, Вт/м2; удельная
теплота, Дж/кг, R - критический радиус парового пузыря, м, t - удельная теплота парообразования, Дж/кг, S - удельная энтропия, Дд/(кг»К), Т - абсолютная температура, К, дТ - разность температур t К, t - температура, С, At - разность температур, С, *tf - удельный объем, мг/кг, V\/ - линейная скорость, м/с,
X - молярная доля компонента в растворе,
Z - плотность центров парообразования, м ,
oC - коэффициент теплоотдачи, Br/(yr*K)t
fi - температурный коэффициент, УГ ; коэффициент
массоотдачи, м/с, Зі - коэффициент теплопроводности, Вт/См»К), ft - коэффициент вязкости динамический, Па» с, V - коэффициент вязкости кинематический, м^/с, 9 - плотность, Кг/м ,
б - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, Т - время, с, *Р - объемная доля компонента в растворе
Индексы
А - величина, относящаяся к легколетучему компоненту, И - величина, относящаяся к труднолетучему компоненту,
Кр - значение величины в критической точке, Н - на линии насыщения,
СМ - величина, относящаяся к раствору,
ср - среднее значение величины, ' - величина, относящаяся к жидкой фазе, 11 - величина, относящаяся к паровой фазе
Остальные обозначения приведены в тексте
Введение к работе
Хлорфторорганические соединения благодаря своим свойствам нашли широкое применение. Традиционная область использования хлорфторпроизводных метана и этана - холодильная техника, где они применяются в качестве рабочих тел для получения искусственного холода.
Помимо холодильной техники некоторые из широкой группы хлорфгорорганических соединении ( RII, RII3) благодаря высокой растворяющей способности успешно применяются для очистки и промывки различных поверхностей от жировых загрязнений /51, 58, 63, 71, 83, 120, 132/. Это обусловлено рядом факторов. Соединения этого класса негорючи, некорродируют большинство металлов, термостойки. Токсичность их намного ниже, чем хлорированных углеводородов Д7, 61/. Низкая токсичность является основным достоинством, позволяющим рекомендовать широкое применение хлорфторорга-нических соединений в качестве растворителей /52/.
В последнее время появились публикации о перспективности применения хлорфторорганических соединений (RII, RI2, R 22, RII3 и др.) для экстракции растительных масел. Обзор этих работ приведен в /65/. Авторы работы делают вывод, что при экстракции растительного сырья эти соединения имеют следующие преимущества перед другими растворителями: низкую токсичность, пожаровзрыво-безопасность, химическую инертность, высокую термическую стойкость, низкие давления рабочего процесса, малые энергозатраты на
регенерацию, высокую обратимость процесса, небольшие потери растворителя, легкое разделение воздушных смесей. Низкие температуры отгонки позволяют извлекать термолабильные и низкокипящие вещества. Применение хладонов дает возможность повысить качество экстрактов из растительного сырья.
Хладагент, циркулирующий в системе холодильной установки, практически всегда содержит примеси, к числу которых относится и смазочное масло. Масло, уносимое вместе с парами холодильного агента из маслозаполненных компрессоров, оказывает влияние на интенсивность процессов теплообмена при кипении в испарителях холодильных машин.
Применение органических растворителей в процессах экстракции, а также для промывки деталей и узлов оборуцования от масляных загрязнений связано с необходимостью их регенерации. Регенерация растворителя выполняется путем его тепловой отгонки в выпарных аппаратах с кипением раствора внутри или на поверхности труб. Массовая доля масла в таких аппаратах меняется от 5-Ю до 90$ и более.
В настоящее время предложен ряд полуэмпирических зависимостей, с точностью порядка ±(20-35)% обобщающих экспериментальные данные при кипении однокомпонентних жидкостей. Теплообмен при кипении растворов менее исследован, хотя в практике часто встречаются случаи кипения именно растворов, а не однокомпонентних жидкостей. Анализ литературных данных показывает, что сейчас имеется вполне обоснованное качественное объяснение особенностей теплообмена при кипении растворов, по сравнению с однокомпонентними жидкостями. Однако нельзя сказать, что существующие расчетные соотношения достаточно полно учитывают эти особенности в количественном отношении.
Вопросам исследования теплообмена при кипении растворов органических соединений с маслами посвящено значительное число работ, имеющих в основном чисто экспериментальный характер. Большая часть таких данных для кипения растворов хлорфторорганичес-ких соединений с маслами получена в области относительно низких концентраций масла, т.е. применительно к условиям работы испари-
телей холодильных машин. Работ, посвященных исследованию теплоотдачи при кипении растворов с высокой концентрацией масла, значительно меньше.
Анализ имеющихся экспериментальных данных по кипению на трубах растворов органических соединений с маслами показал, что примесь масла свыше 4-6$ по массе приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Зависимость об от концентрации растворенного масла при См < 4-6% имеет слоеный характер,и в некоторых случаях коэффициент теплоотдачи при кипении раствора может превышать коэффициент теплоотдачи при кипении чистого растворителя.
Для расчета поверхности нагрева как испарителей холодильных машин, так и выпарных аппаратов необходимо знать коэффициент теплоотдачи при кипении раствора. Однако в настоящий момент нет зависимостей, достаточно полно учитывающих особенности теплообмена при кипении растворов хлорфторорганических соединений с маслами.
Практически расчет теплообменных поверхностей испарителей холодильных машин выполняется по данным, полученным для чистого холодильного агента, с введением эмпирической поправки на влияние масла. При расчете выпарных аппаратов применяются формулы, полученные для однокомпонентних жидкостей, с подстановкой в них теплофизических свойств раствора, либо используются имеющиеся данные по средним значениям коэффициента теплопередачи в действующих аппаратах. Тот и другой способы расчета имеют существенные недостатки, поэтому задача разработки надежного метода расчета интенсивности переноса теплоты при кипении растворов хлорфторорганических соединенші с маслами является весьма актуальной. Решение этой задачи требует проведения теоретических и экспериментальных исследований для выявления факторов, определяющих процесс теплообмена цри кипении растворов и получения данных для
аналитического расчета теплоотдачи при кипении растворов хлор-фгорорганических соединений с маслами.
Б рамках настоящей работы рассматриваются вопросы теплообмена при пузырьковом кипении растворов в условиях большого объема. Хотя в практике чаще встречаются случаи кипения внутри труб и каналов, а также на поверхности пучка труб, исследование процесса кипения в большом объеме необходимо, поскольку позволяет уяснить качественные особенности теплообмена и установить количественные закономерности, которые могут быть использованы как основа для описания теплообмена в более сложных условиях.
Цель работы. Разработка методики расчета интенсивности переноса теплоты при пузырьковом кипении растворов хлорфторорганиче-ских соединений с маслами, как основы для решения задач проектирования теплообменных аппаратов.
Научная новизна. Автором предложена физическая модель и математическое описание теплообмена при пузырьковом кипении бинарных растворов в большом объеме.
Получены экспериментальные данные по термодинамическим свойствам растворов R10 и R ИЗ с минеральным и растительным маслами, а также данные по теплоотдаче при кипении растворов RIO, RII, RII3 с минеральными и растительными маслами при различных давлениях в широком диапазоне изменения концентрации растворенного масла. Большая часть экспериментальных материалов получена впервые.
На основе выполненных теоретических разработок с привлечением результатов собственных экспериментальных исследований, а также данных других авторов получена обобщенная зависимость для расчета теплоотдачи при кипении на трубах растворов хлорфгорорга-нических соединений с маслами в области взаимной растворимости компонентов.
Практическое значение. Аналитическое выражение для расчета коэффициента теплоотдачи позволяет оценить влияние вида и концентрации растворенного масла на интенсивность переноса теплоты в зависимости от условий работы тешюобменного аппарата.
Полученное уравнение справедливо для условий кипения в большом объеме и может быть использовано как основа для описания теплообмена в более сложных случаях. Вместе с тем оно может быть рекомендовано для приближенного определения коэффициента теплоотдачи при кипении растворов на пучках гладких труб.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке установки для промывки и очистки деталей и узлов энергетического оборудования от масляных загрязнений, включающей как составную часть выпарной аппарат для регенерации растворителя. Установка смонтирована и эксплуатируется на Архангельском целлюлозно-бумажном комбинате.
Автор защищает;
физическую модель и аналитическое описание теплообмена при пузырьковом кипении бинарных растворов в области взаимной растворимости компонентов;
результаты экспериментальных исследований термодинамических свойств растворов и теплоотдачи при их пузырьковом кипении;
рекомендуемую формулу для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении растворов хлорфторорганических соединений с маслами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ХУ научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ИТТФ АН УССР (Киев, 1984 г.), научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ Ленинградского технологического института холодильной промышленности (1982-1984 гг.), научно-технической конференции Казанского инже-
нерно-строительного института (1984 г.).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 5 печатных работах /1-5/.
Объем работы, диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащих 'ОТ страниц машинописного текста, 35 рисунков и 27 таблиц. Список литературы включает 135 наименований. В приложении к диссертации в табличной форме приведены экспериментальные данные по термодинамическим свойствам растворов и теплоотдаче при кипении.
I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕЩСТАШБНИЯ О ТЕПЛООБМЕНЕ ПРИ КИПЕНИИ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ
I.I. Фазовые равновесия в бинарных растворах
Механизм теплообмена при кипении растворов неразрывно связан с закономерностями их парообразования, поэтому ниже на основе работы /39/ кратко рассмотрены основные положения термодинамики бинарных растворов.
Для однокомпонентной жидкости в состоянии равновесия состав пара соответствует составу жидкости. Для бинарного раствора концентрации жидкой и паровой фаз различны (см.рис.1.1). Сплошная и штриховая линии на рисунке определяют соответственно состояния насыщенных жидкости и пара. Точки, относящиеся к равновесно сосуществующим фазам, лежат на линии Т-const , т#к. при фазовом равновесии температуры в фазах должны быть одинаковы. Равенство давлений обеспечено тем, что диаграмма построена при условии
^= const . Точки 1 и і на диаграмме соответствуют состояниям насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара. Для раствора в состоянии равновесия эти фазы имеют разные концентрации.
Рассмотренный тип диаграммы равновесия не является единственным. При значительной неидеальности растворов диаграммы равновесия могут иметь вид, изображенный на рис.1.2 и 1.3. Из диаграмм видно, что в точке 2 равновесные концентрации пара и жидкости одинаковы. Такой раствор называется раствором азеотропного состава, а точка 2 азеотропной точкой. Понятно, что если равновесные концентрации пара и жидкости одинаковы, то такое вещество кипит и конденсируется как однокомпонентная жидкость. Из рис.1.2 и 1.3 вытекает одна особенность растворов, образующих азеотроп: по обе стороны от азеотропной точки разность концент-
\ъ
р- const
ftfc.I.I Парообразование бинарного раствора в Ті С - диаграмме
Рис.1.2 Т , С - диаграмма для бинарного раствора
с точкой минимума на кривой Тн = f ( С /
р -const
Рис.1.3 Т, С - диаграмма для бинарного раствора
с точкой максимума на кривой Т = f (Су
-/5-
раций каждого из компонентов в паровой и жидкой фазах меняет знак.
В рассмотренных выше случаях оба компонента присутствуют в обеих фазах в концентрациях, изменяющихся от 0 до I. Однако бывает, что при заданной температуре летучесть одного из компонентов раствора пренебрежимо мала. При этом условии можно считать, что этот компонент присутствует только в жидкой фазе. Наличием его в паре можно пренебречь. Такое допущение справедливо для водных растворов солей, растворов хлорфгорорганических соединений с маслами, водных растворов глицерина и ряда других растворов, когда в паровой фазе при низких температурах находится практически чистый растворитель. В состоянии насыщения давление пара таких растворов меньше, чем давление пара чистого растворителя при той же температуре. Типичные зависимости рн- f(j) для чистого растворителя и раствора с нелетучим компонентом приведены на рис.1.4.
Условия равновесия между двумя фазами в двухкомпонентной системе описываются уравнением Я.Д.ван-дер Ваальса /П/:
,(«"- s') - О
(V -V )~
где S, S - удельная энтропия паровой и жидкой фаз, дж/(кг»К); с" С - массовая доля компонента в паровой и жидкой фазах; tf"l/ - удельный объем паровой и жидкой фаз, wr/кг;
(L - удельный изобарно-изотермический потенциал жидкой фазы, Дж/кг.
C-const
т
Зависимость рн= г(Т/ для чистого растворителя и раствора с нелетучим компонентом: I - растворитель; 2 - раствор
Зависимость (I.I) дает непосредственную связь между давлением, температурой и концентрацией для двухфазного двухкомпонентного раствора в состоянии равновесия.
Таким образом, парообразование растворов имеет ряд особенностей, по сравнению с однокомпонентными жидкостями. Во-первых, паровая и жидкая фазы бинарных растворов в состоянии равновесия имеют разные концентрации, за исключением растворов азеотропного состава. Во-вторых, в соответствии с правилом фаз Гиббса двухфазная двухкомпонентная система имеет две степени свободы. Следовательно, любая интенсивная величина может быть представлена как функция двух независимых величин. Иными словами, если для одно-компонентной жидкости в состоянии насыщения можно записать, что
р =f(j) » то для двухкомпонентного раствора давление будет зависеть и от состава рн~т(Л с) . Таким образом, для двухкомпо-нентных систем существенным является влияние состава на физические свойства.
Рассмотренные закономерности парообразования двухкомпонент-ных растворов позволяют понять особенности теплообмена при их пузырьковом кипении.
1.2. Общие закономерности теплообмена
Теплоотдача при кипении растворов подчиняется более сложным законам, по сравнению с однокомпонентными жидкостями, и является сложной функцией состава. По характеру изменения коэффициента теплоотдачи в зависимости от концентрации двухкомпонентные растворы можно условно разделить на три типа:
а) растворы, не образующие азеотроп;
б) растворы, образующие азеотроп;
в) растворы с нелетучим компонентом.
На рис.1.5-І.II приведены Tfx - диаграммы и кривые зави-, симостей оС=г(х/ для различных бинарных растворов. Из рис.1.5, 1.6 видно, что при равном давлении температуры насыщения н-гептана и метшщиклогексана различаются между собой незначительно. Линии кипения и конденсации в Т} ос _ диаграмме практически совпадают, а на кривой <6см=т(з:А) наблюдается незначительный минимум.
Раствор ацетон - н-бутанол в состоянии равновесия имеет различные составы паровой и жидкой фаз (см.рис.1.7). Коэффициент теплоотдачи при кипении этого раствора зависит от концентрации нелинейно. На кривой <^см~ ^(ха) наблюдается минимум, который с увеличением давления становится более четко выраженным (рис.1.8).
Раствор метанол - бензол имеет точку минимума на кривой Тн - тЧЯу в Т, ас -диаграмме (рис.1.9). На кривой зависимости <6сц~т{.ха) наблюдается три экстремума: два минимума и относительный максимум в точке, примерно соответствующей концентрации азеотропного состава (см.рис.1.10).
На рис.1.II приведены экспериментальные данные /82/ по теплоотдаче при кипении водных растворов глицерина. В условиях эксперимента глицерин можно считать практически нелетучим и наличием его в паре пренебречь. Из рисунка видно, что для раствора с нелетучим компонентом характерно монотонное уменьшение коэффициента теплоотдачи с увеличением концентрации труднолетучего компонента. Следует отметить, что увеличение концентрации глицерина соответствует увеличению разности концентраций воды в паровой и жидкой фазах.
Анализ данных на рис.1.5-І.II показывает, что коэффициент теплоотдачи при кипении растворов определенным образом зависит от разности концентраций легколетучего компонента в жидкости и в
t/C
і00 P=o= з-о—і
О 0,2 0;/f 0,6 0,& -/,0
/ //
ос. я:
Рис. 1.5 t , ОС - диаграмма раствора н-гептан - метилциклогексан /129/: I, 2, 3, 4 - соответственно р =1; 0,6; 0,3; 0,1 МПа
об, Вт/(м2к;,0
г-юч
0 0}2 0}Ц 0,6 0,8 ifl ОС,
Вис.1.6 Теплоотдача при кипении раствора н-гептан - метилциклогексан при О. =* 100 кВг/м2 /129/: I, 2, 3, 4 - соответственно р = I; 0,6; 0,3; 0,1 МПа
t,C
I . //
О 0,2 0^ Ofi 0,8 1,0 X,X
*
Рис. 1.7 t 9 & - диаграмма раствора ацетон - н-бутанол /129/: I, 2, 3, 4 - соответственно р = І; 0,6; 0,3; 0,1 Ша
12 di, Вт/(м2К) 10
0 0,2 0,4 0,6 0,В 1Л0 Хд
РисЛ,8 Теплоотдача при кипении раствора ацетон - н-бутанол /129/:
« 100 кВг/м2; I - 4 - соответственно р = I; 0,6; 0,3; 0,1 МПа
t) С 19Q
НО 150 1Ъ0
О 0,2 0}Ч Ofi Ofi Ifi ОС,
Рис.1,9 t , ОС - диаграмма раствора метанол - бензол /129/: соответственно р= 1,6; I; 0,6; 0,3; 0,1 МПа
>
об, Вг/(м2К) л
О 0,2 0;;0 ОСд
Рис.I«10 Теплоотдача при кипении раствора
метанол - бензол при Q= 100 кВт/м2 /129/:
1-5 - соответственно р = 1,6; I; 0,6; 0,3; 0,1 Ша
ї]Вт/[м2К)
О 0,5 10 См
Rac.I.II Теплоотдача при кипении водного раствора глицерина /82/: р = 0,1 МПа; C^-COnst
паре и, как правило, не подчиняется правилу аддитивности:
Жсма%~ ЖА #д + сСмхм ^ (1.2)
где ^At М ~ коэффициенты теплоотдачи при кипении легколетучего
и труднолетучего компонентов, ВтЛм^Ю; XAj3CM - молярные доли легколетучего и труднолетучего компонентов в жидкости (состав раствора в формуле может быть выражен и через массовые доли компонентов) . Формула (1.2) дает линейную зависимость коэффициента теплоотдачи от концентрации и справедлива при следующих условиях:
а) равновесные составы паровой и жидкой фаз раствора одинаковы,
т.е. раствор кипит как однокомпонентная жидкость;
б) теплофизические свойства раствора аддитивно зависят от соста
ва;
Л ПА
в) показатели степени ЛА и Пм в соотношениях оСА~АА'(^ и
0^=^-0 м для легколетучего и труднолетучего компонентов при
мерно равны.
Раствор н-гептан - метилциклогексан в состоянии равновесия имеет практически одинаковые составы паровой и жидкой фаз. Естественно полагать поэтому, что закономерности теплообмена при кипении такого раствора не будут отличаться от случая кипения однокомпонентной жидкости. Действительно, как видно из рис.1.6, коэффициент теплоотдачи при кипении раствора н-гептан - метилциклогексан лишь незначительно отличается от рассчитанного по
формуле (1.2). Расхождения в расчетном {j^tM щ) и экспериментальном (jp^ch) значениях коэффициентов теплоотдачи обусловлены тем, что не строго выполняются условия б) и в).
Разумеется, все сказанное относится и к растворам азеотропного состава. Для таких растворов при выполнении условий б) и в)
также должно быть осм = Жсм ад Так как практически эти условия строго не выполняются, то монет иметься некоторое расхождение в значениях сССм и сСсм ао, и для растворов азеотропного состава (см.рис.1.9, 1.10).
Соотношение между <&см olq, и ^сл/ для растворов, равновесные составы пара и жидкости которых одинаковы, будет определяться в общем случае тем, как теплофизические свойства раствора зависят от концентрации. Знак разности С^с#~ ^см ол) может быть не только отрицательным, как на рис.1.10, а и положительным, как, например, на рис.1.12.
Для растворов, составы паровой и жидкой фаз которых в состоянии равновесия различны, коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле (1.2), может существенно отличаться от экспериментального (см.рис.1.8). Расчеты показывают, что это расхождение не может быть объяснено лишь изменением теплофизических свойств.
Для выяснения вопроса о влиянии состава на теплообмен проанализируем процесс формирования паровых пузырей при кипении бинарного раствора.
При кипении раствора неазеотропного состава в паровую фазу будет переходить преимущественно легколетучий компонент. Слой жидкости вокруг парового пузыря при этом будет обогащаться труднолетучим компонентом. Появление градиентов концентраций вызывает возникновение диффузионных потоков, причем преимущественное испарение легколетучего компонента компенсируется его диффузионным потоком к поверхности раздела фаз. Вследствие конечных значений коэффициента диффузии подвод легколетучего компонента запаздывает, и у границы раздела фаз при росте парового пузыря будет поддерживаться более высокая, чем в основной массе жидкости, концентрация труднолетучего компонента.
, Вф*к)ео so
JO-iO
0 0;2 0,Ц Ofi 0,8 1f0 XA
Рис.I.12 Теплоотдача при кипении раствора бензол - изооктан /96/: I, 2 - соответственно р = 2; 1,5 Ша
сСсм t ^см а.
Таким образом, при кипении растворов неазеотропного состава слой жидкости у поверхности нагрева обогащен труднолетучим компонентом. Температура насыщения этого слоя при заданном давлении больше, чем основной массы жидкости. В связи с этим при кипении растворов неазеотропного состава перегрев слоя жидкости, непосредственно соприкасающегося с поверхностью нагрева, относительно температуры насыщения не равен температурному напору, а меньше его (под температурным напором здесь понимается разность температур поверхности нагрева и массы жидкости вдали от поверхности нагрева). Так как перегрев жидкости относительно температуры насыщения определяет внутренние характеристики процесса кипения и в значительной степени интенсивность отвода теплоты от поверхности нагрева, то формирование диффузионного слоя при кипении растворов оказывает отрицательный эффект на теплоотдачу.
На основе вышеизложенного становится понятной связь между теплоотдачей при кипении и разностью концентраций легколетучего компонента в жидкости и в паре. Действительно, чем больше при прочих равных условиях разность СА - СА , тем интенсивнее обедняется пристенный слой легколетучим компонентом, что приводит к большему снижению перегрева жидкости в пределах этого слоя относительно температуры насыщения при заданном температурном напоре. Это вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи и понятно, что максимальное уменьшение теплоотдачи должно примерно соответствовать максимуму разности равновесных концентраций легколетучего компонента в жидкости и в паре.
Из сказанного следует также, что знак разности Сд-Сд не имеет значения, т.к. процесс формирования диффузионного слоя зависит от абсолютной величины / Сд - Сд / .
Соотношение между значениями оОсм а„ и сЬсм для растворов, равновесные составы пара и жидкости которых различны, будет
зависеть от теплофизических свойств раствора и разности концентрации легколетучего компонента в паре и жидкости. В общем случае знак разности (cOcw щ - сСсм) , как и для растворов с Г, = СА , может быть как положительным, так и отрицательным.
Сформулированный взгляд на закономерности теплообмена при кипении бинарных растворов соответствует представлениям, изложенным в работах И.ИЛернобыльского, Ю.Е.Лукача /86/, Л.Е.Скриве-на /124/, В.А.Робина /70/, В.И.Толубинского и Ю.Н.Островского /80/, С.Дж.Д.ван Штралена /12, 13, 134/, К.Стефана и М.Кернера /129/, Л.Н.Григорьева /25/, Н.Г.Стюшина и В.И.Астафьева /74, 75, 76/ и других авторов.
Выше рассмотрено влияние концентрации на теплоотдачу при кипении бинарных растворов. Практически o6CAf зависит также от плотности теплового потока, давления, температуры и других факторов. В степени влияния этих величин на о&см при кипении растворов также имеются особенности, по сравнению с однокомпонентними жидкостями.
Анализ данных на рис.1.8, 1.10, а также работ Дб, 94 и др./ показывает, что увеличение давления оказывает меньший интенсифицирующий эффект на теплоотдачу при кипении раствора, чем для составляющих его компонентов. Это обстоятельство также может быть объяснено закономерностями формирования диффузионного слоя при кипении раствора. С увеличением давления увеличивается число центров парообразования, что приводит к более интенсивному обеднению пристенного слоя легколетучим компонентом. Вследствие этого эффект увеличения теплоотдачи с ростом давления для растворов проявляется в меньшей степени, чем для однокомпонентних жидкостей. Следует заметить, что в ряде работ было отмечено даже понижение коэффициента теплоотдачи с увеличением давления для раствора /26, 57, 94/. Однако и этот факт не противоречит высказан-
яым выше соображениям о закономерностях теплообмена при кипении бинарных растворов.
Для некоторых растворов наблюдалось изменение показателя степени в соотношениях вида об = A q, в зависимости от концентрации. На рис.1.13 приведены данные /82/ для водных растворов глицерина, кипящих при атмосферном давлении. Из рисунка видно, что с увеличением концентрации глицерина показатель степени уменьшается от 0,7 до 0,4. Подобная закономерность сохраняется и при других давлениях /43/. Уменьшение показателя степени с ростом концентрации нелетучего компонента в жидкости является следствием формирования диффузионного слоя при кипении. Увеличение плотности теплового потока и связанное с этим увеличение числа центров парообразования приводят к более интенсивному обеднению пристенного слоя легколетучим компонентом. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи при кипении раствора с увеличением плотности теплового потока увеличивается в меньшей степени, чем для одно-компонентной жидкости. Практически при обработке опытных данных в виде степенных зависимостей сС = А (^ это и проявляется в уменьшении показателя степени. Понятно, что этот эффект должен сильнее сказываться для растворов с большой разностью равновесных концентраций легколетучего компонента в паре и жидкости.
Представленные на рис.1.5-І.12 данные по теплоотдаче при кипении бинарных растворов являются наиболее типичными и отражают основные закономерности теплообмена при кипении трех групп растворов.
Закономерности изменения теплоотдачи при кипении некоторых растворов не укладьшаются в рассмотренную схему. На рис.1.14 приведены данные по теплоотдаче при кипении водных растворов эти-ленгликоля /95/. В условиях экспериментов этиленгликоль можно считать практически нелетучим и наличием его в паре пренебречь.
0,8 0,6
о
О 0,2 0}Ц 0,6 0;g 4,0 С
Рис.1,13 Влияние концентрации на показатель степени в зависимости Жсм-Ао, для водных растворов глицерина /82/>
Вт/tfK) so МО
1,0
Рис,I,14 Теплоотдача при кипении водного раствора этиленгликоля при а* 200 кВг/ьГ /95/: 1-5 соответственно р= 1,5; I; 0,5; 0,3; 0,1 МПа
з*
Если исходить из того, что с увеличением концентрации этиленгли-коля в жидкости разность концентраций воды в паровой и жидкой фазах возрастает, то коэффициент теплоотдачи при кипении раствора (oOCMJ в соответствии с изложенными выше причинами должен уменьшаться. Однако в действительности на кривой <6см= т(.См) наблюдается максимум коэффициента теплоотдачи, который с повышением давления становится более четко выраженным, после чего теплоотдача ухудшается. Исходя лишь из рассмотрения статической фазовой диаграммы равновесия такой характер изменения коэффициента теплоотдачи необъясним.
По мнению авторов /95/ аномальный характер изменения коэффициента теплоотдачи связан с поверхностно-активными свойствами этиленгликоля, заключающимися в существенном снижении поверхностного натяжения его водных растворов по сравнению с чистой водой. Это вызывает измельчение паровых пузырей и увеличение числа действующих центров парообразования. С ростом температуры, по мнению авторов /95/, этот эффект должен проявляться все более сильно, что качественно согласуется с экспериментальными данными.
Сведения по увеличению коэффициента теплоотдачи при добавлении поверхностно-активных веществ приводятся и в ряде других работ /78, 98, 104, 119 и др./. В табл.1.1 представлены данные /36/, где исследовалось влияние органических добавок к воде на теплообмен при кипении в большом объеме.
В табл.1.1 о6СА/ - коэффициент теплоотдачи при кипении раствора; оС0 - коэффициент теплоотдачи при кипении воды. Сильное увеличение коэффициента теплоотдачи при малых концентрациях добавок авторы /36/ также объясняют снижением поверхностного натяжения растворов. В настоящее время такое объяснение эффекта увеличения коэффициента теплоотдачи при добавлении малых количеств поверхностно-активных веществ является общепризнанным, хо-
Таблица I.I
Влияние добавок на коэффициент теплоотдачи при кипении
тя и нет оснований считать, что механизм этого явления окончательно понятен. Тем более, что нет каких-либо количественных соотношений, позволяющих рассчитать коэффициент теплоотдачи при кипении таких растворов.
На рис.1.15 приведены данные /74/ по теплоотдаче при кипении водных растворов нелетучих веществ. Кривая сСсм = т(см) ПР~ ходит через минимум. Такое изменение теплоотдачи не согласуется с приведенными выше соображениями о влиянии разности концентраций легколетучего компонента в жидкости и в паре. По мнению авторов /74/ этот эффект обусловлен ограниченной взаимной растворимостью исследованных веществ.
Рассмотренные закономерности теплообмена при кипении бинарных растворов показывают, что сССн зависит от большого числа факторов, что затрудняет возможности количественного описания этого процесса.
оС-10ІВф2К) з
7 6 5 Ц З
M
0,2 о,ч q
Рис,I.15 Зависимость коэффициента теплоотдачи от концентрации См для водных растворов нелетучих веществ при Р = 0,1 МПа, <{,= 100 кВг/м2 /74/: I - вода - ЫаОН ; 2 - вода - |\|а С
1.3. Методы расчета теплоотдачи
Раствор, равновесные составы пара и жидкости которого одинаковы, кипит и конденсируется как однокомпонентная жидкость. Имеющиеся данные /46, 129 и др./ показывают, что коэффшщент теплоотдачи при кипении таких растворов может быть рассчитан по формулам, предложенным для однокомпонентних жидкостей с подстановкой в них теплофизических свойств раствора. Коэффициент теплоотдачи, рассчитанный таким образом, назовем идеальным {^см иа) № растворов, равновесные составы пара и жидкости которых одинаковы, осм может быть также определен по формуле (1.2), если изменение теплофизических свойств раствора с концентрацией примерно подчиняется правилу аддитивности.
Для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении растворов, равновесные составы пара и жидкости которых различны, первоначально также рекомендовалось использовать формулы, полученные для однокомпонентних жидкостей. Хотя в некоторых случаях был получен удовлетворительный результат /50, 57, 86/, более поздние исследования показали, что такой подход чаще всего дает существенные отклонения экспериментальных значений (<&см) от расчетных (с6см цп) . Так В.Н.Филаткиным в работе /84/ по кипению во-доаммиачных растворов установлено, что числовой коэффициент и показатели степени в критериальных формзглах не остаются постоянными, а зависят от состава раствора.
В связи с этим предложенные в последнее время соотношения для расчета o6cw в той или иной мере учитывают особенности теплообмена при кипении растворов, связанные с различием равновесных составов пара и жидкости. Рассмотрим некоторые из этих соотношений.
Л.Н.Григорьев полагает /25/, что особенности теплообмена
35"
при кипении растворов полностью определяются разностью равновесных концентраций легколетучего компонента в паре и жидкости:
(1.3)
*И*с) ,
Ж см йа
где оСсмаФ - коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по правилу аддитивности, при выражении концентраций компонентов в объемных долях, Вт/См2«К);
Вс - безразмерный комплекс, зависящий от разности концентраций легколетучего компонента в паре и жидкости.
Для обобщения Л.Н.Григорьевым использовались результаты экспериментов, выполненных при атмосферном давлении. Данные по растворам, состоящим из компонентов, температуры насыщения которых при атмосферном давлении отличаются не более, чем на 40 К, были обобщены уравнением:
2 -,
сСсм
(1.4)
см Ц
4,6
Величина
определяется из соотношения:
(1.5)
где %н и Уд „ теплота парообразования труднолетучего и легко-летучего компонентов, Дж/кг.
Данные по растворам второй группы (температуры насыщения компонентов при атмосферном давлении отличаются более, чем на 70 К), были обобщены уравнением:
Г or " ' ,Л~*'6
см ад
-Z + H^-C/JJ > (1.6)
' ** («Г
- коэ
ент теплоотдачи.
где и=7,б \-^—j , сьсмау,
рассчитанный по правилу аддитивности, при выражении концентраций
компонентов в объемных долях, Вг/(йг»К).
В.И.Толубинским и Ю.Н.Островским /79, 80/ предложено обобщенное уравнение для расчета теплоотдачи при кипении растворов:
II I „
Mll = I
(1.7)
%
>Гїгм,ЬИ, ро > ^ц.ф
Это уравнение отличается от уравнений для однокомпонентних жидкостей тремя последними безразмерными комплексами: числом Uu , являющегося мерой отношения диффузионного переноса массы к кон-дуктивному переносу теплоты; симплексом р /р ; комплексом
Ъ$$-г г.»—! — Р-носи разновеса кон-
центрации легколетучего компонента в жидкости и в паре.
. В работе /81/ отмечается, что определение конкретного вида предложенного критериального уравнения в настоящее время не представляется возможным из-за отсутствия данных о физических свойствах растворов на линии насыщения. Для частного случая растворов вода - метанол, вода - этанол уравнение теплоотдачи при кипении приобретает вид /81/:
/х21
\
у (1.8) J к і
На- 751
(cA-cAj
їсм ?см ol0 см гСг/
гл**$
WO
По мнению авторов /56/ безразмерный комплекс
позволяет вполне удовлетворительно учесть особенности теплообмена при кипении бинарных растворов.
К.Стефан и М.Кернер /129/ предложили рассчитывать теплообмен при кипении бинарных растворов на основе соотношения:
(1.9)
где ^ /с/7 - температурный напор между поверхностью нагрева и ни-
з*
пящей жидкостью при заданной плотности теплового потока, К;
^'смад'^А^А4'Аъхм " температурный напор, определяемый по правилу аддитивности, при заданной плотности теплового потока, К;
8/ ~**а/ " поправка, зависящая от разности концентраций легколетучего компонента в паре и жидкости.
В результате обработки опытных данных авторы /129/ получили:
B*R0(o,&g + о,п--), (їло)
где р - абсолютное давление, Па; р0 = 10 Па; В0 - постоянная, значения которой для ряда бинарных растворов приведены в табл.1.2.
К.Стефан и М.Кернер рекомендуют использовать уравнение (1.9) в диапазоне давлений 0,1-1 МПа. Среднее квадратичное отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по формуле (1.9) составляет +8,6$. Для расчета теплоотдачи при кипении растворов, значения В0 для которых не известны, авторы /129/ предлагают использовать среднее значение В0 = 1,53 при условии, что раствор по термодинамическим свойствам не слишком отличается от соединений, приведенных в табл.1.2.
Позднее К.Стефаном была предложена обобщенная зависимость для расчета теплоотдачи при кипении растворов /127/. Для бинарных систем соотношение К.Стефана имеет вид:
//. п-0.?33
l\liiCM= Nu0 сЬсм dc
(ІЛІ)
і + і.*~л-*'л) ' д*А
№а/р
к/. о^сгс и О СМ А/,,
где NuCM Т' » число /VUfl рассчитывается по уравнению
П.Пройсера /128/ для однокомпонентних жидкостей, с подстановкой в него физических свойств раствора.
Второй член в правой части уравнения (І.ІІ) учитывает влияние на теплообмен при кипении разности равновесных концентраций
Таблица 1.2 Значения коэффициента 60 /129/
пара и жидкости.
Не останавливаясь на вопросе о физической обоснованности рассмотренных соотношений, можно отметить, что все они включают комплекс, учитывающий влияние разности равновесных концентраций пара и жидкости. Недостатком зависимостей (1.3), (1.7), (1.8), (1.9), (І.ІІ), как и большого числа близких к ним по структуре соотношений /19, 41, 42, 70 и др./, а также уравнений В. Ф. Калу са,
Д.Дж.Іеонидопулоса /і02/ и Дж.Р.Тома /ІЗЗ/, полученных на основе моделей роста паровых пузырей в бинарных растворах, является то, что они недостаточно точно учитывают влияние плотности теплового потока и давления на теплообмен при кипении растворов.
Интересное решение в этом смысле предложено Э.У.Шлюндером /123/. Для бинарных растворов уравнение Э.У.Шлюндера имеет вид:
Ж см а.$. СдТн
%
хм а.
= -/ +
А /Г
%
*-^-*irh[-)
?' Ь% ' (1Л2)
По мнению автора /123/ для растворов, не имеющих азеотропной точки, можно приближенно допустить, что:
/ ?Тн см 1 л -г Т
Тогда из (I.I2) получим:
-см aj
оСсм /. + сбся
pu«-w (*;-*;;
-і
<-е^-8етъг)
(I.I3)
где о^см оса определяется при заданном ty из условия, что
= А
tA X. + Л
м хм
(I.I4)
тогда
(I.I5)
В уравнениях (I.I2) и (I.I3) J5 - коэффициент массоотдачи, м/с; В - коэффициент, учитывающий долю плотности теплового потока, идущую на испарение жидкости в паровые пузыри.
Из соотношения (LIS) непосредственно вытекает, что -?
зависит от плотности теплового потока, что не следовало из рассмотренных выше уравнений других авторов. Можно отметить, что зависимость (I.I3) качественно верно отражает влияние плотности теплового потока и давления на теплообмен при кипении растворов (см.разд.1.2). Возможность практического использования для расчетов уравнения (I.I3) ограничивается тем, что величины fi и. В являются переменными,и автор не дает способов их расчета.
Хорошая работа обзорного характера по кипению растворов выполнена К.Стефаном /128/. Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении он рекомендует формулу (1.9), если изменение физических свойств раствора с концентрацией подчиняется правилу аддитивности. В противном случае, по мнению К.Стефана, целесообразно использовать уравнение (I.II). Аналогичный вывод сделан авторами работы /121/.
Следует однако заметить, что при кипении растворов с неле-
~fi-r)p в правой части уравнения (I.II) обращается в нуль. Это практически означает, что теплообмен при кипении таких растворов не зависит от разности концентраций легколетучего компонента в жидкости и в паре. Однако это не соответствует экспериментальным данным.
В отечественной литературе нет общих рекомендаций по расчету теплоотдачи при пузырьковом кипении растворов. Естественно считать, что так же как и при кипении однокомпонентних жидкостей соотношения, предложенные разными авторами, правильно описывают поведение только тех растворов, экспериментальные данные по которым использованы при обобщении. В противном случае эти зависимости не гарантируют удовлетворительный результат.
1.4. Кипение растворов органических соединений с маслами
Экспериментальные исследования теплоотдачи при кипении растворов органических соединений с маслами были выполнены рядом авторов (см.табл.1.3). Практически все данные получены для растворов хлорфторпроизводных предельных углеводородов с маслами применительно к условиям работы испарителей холодильных машин. Одной из первых работ в этом направлении было исследование И.И.Чернобыльского и В.Г.Ратиани /87/, определивших влияние растворенного масла на теплоотдачу при кипении RI2 на одиночной гладкой трубке. Установлено, что увеличение концентрации масла в растворе приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Отмечено уменьшение степени влияния плотности теплового потока на об с ростом Сн .
В работе /131/ исследовался теплообмен при кипении растворов углеводородов C$HgO, Cq Hg , Cj His и хлорированных углеводородов С (1ц , Cz Нъ $3 с маслами. Данные получены при атмосферном давлении. Влияние растворенного масла на теплоотдачу в качественном отношении соответствует установленному авторами работы /87/. СВ.Стерлинг и Л.Дж.Гикачек /131/ отметили особый тип кипения, который они назвали "пятнистым". На поверхности нагрева при кипении растворов были отмечены довольно большие неправильные участки очень близко расположенных активных центров парообразования. Между этими участками находились большие площади, полностью свободные от пузырьков. По мнению авторов /131/^ возникновению центров парообразования иногда благоприятствует близость к активному центру.
К.Стефан /126/ исследовал влияние растворенного масла на теплоотдачу при кипении R 12 и R 22 на плоской медной пластине. Автор отмечает, что добавка масла приводила к ценообразованию. Результаты экспериментов показали, что при концентрации масла
Таблица 1.3
Условия проведения экспериментов
Растворитель и масло
Р-ІСГ5, Па
кВгЛГ
Поверхность нагрева
Источник
RI0 -
Ondina Oil 4ЪЪ
RII -
Shell СШііЬ Oil 9ЪЪ
RII - минеральное
R II - Siwiso 33i
RII RII RII
RII RII
3GS 4GS 5GS
S/?eW C&tfas
Oil бег
Shell 5a
ReHiQetd-toz Oil
0-0,45
0-0,05
0-0,1
0-0,06
0-0,1
0-0,2
I;
1,8
i;
0,4
i;
0,5-80
гладкая труба
гладкая труба; пучок гладких труб
гладкая труба
пучок ребристых труб
гладкая труба
горизонтальная пластина
/131/
/135/
/ЮЗ/
/118/
/89/
/101/
RI2 - минеральное
p T9 Shell Clatus Ki4~ Oil w
0-0,58
0-0,33
гладкая труба
горизонтальная пластина
/87/
/126/
Продолжение таблицы І.З
Растворитель и масло
р. 10 Па
кВг/м*
Поверхность нагрева
Источник
R12 - }@-12
R12 - минеральное
К12 - 365 RI2 - ^65 RI2 - 5GS
R 12 - Х$-12
0-0,5
0-0,06
0-0,1
0,06
от 1,57 до 5,88
от 0,81 до 4,37
1,97
от 1,24 до 3,09
0,45-45
гладкая труба
пучок гладких
гладкая труба
пучок
гладких
труб
/32/
/108/
/122/
Данные Вельского В. К. /34/
R12 - ЭФ-12
R12 - минеральное
R 13 - ФМ-5,6АП
R22 - Fuchs-KM
R 22 - У&-22С
0,08
0-0,1
0,04
0-0,09
0-0,5
от 1,64 до 9,10
0,3-23
0,4-8
ребристая труба; пучок ребристых труб
пучок ребристых труб
гладкая труба
горизонтальная пластина
гладкая труба
/31/
/109/
/72/
/126/
/33/
Продолжение таблицы І.З
Окончание таблицы 1,3
См > 0,03 дальнейшее повышение содержания его в растворе приводило к снижению коэффициента теплоотдачи. При этом наклон кривых, выражающих зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока, уменьшался. Влияние растворенного масла на тепло-отдачу в области малых См оказалось неоднозначным. При низких температурах добавка масла приводила к увеличению коэффициента теплоотдачи, а при высоких к снижению его (см.рис.1.16). На рис.1.17 представлены данные К.Стефана о влиянии давления на теп-лообмен при кипении. При См =0,08 наблюдалась обратная зависимость об от давления. К.Стефан связал этот эффект с интенсивностью ценообразования при кипении.
Последующие экспериментальные исследования влияния растворенного масла на теплоотдачу при кипении дали результаты аналогичные тем, что получены в работах /87, 126, 131/. Было также установлено, что в качественном отношении влияние растворенного масла на теплоотдачу аналогично для гладких и ребристых труб, а также для пучков гладких и ребристых труб.
Анализ имеющихся экспериментальных данных позволяет высказать следующие общие соображения относительно влияния растворенного масла на теплоотдачу при кипении:
«
о6,Вт/(м2К)
ц в. 8 10 fy, &т/м
Рис.І,16 Влияние растворенного масла на теплоотдачу при кипении RI2 /126/:
— 15С; -18С;
1-4 соответственно См= 0; 0,01; 0,03; 0,057
oC, Вт/(/к)
V 2 4 6 8 ios cj,, Bt/m2
Рис.I.17 Влияние давления на теплоотдачу при кипении растворов RI2 с маслом /126/: 1-5 - соответственно См= 0,03; 0,083; 0,17; 0,23; 0,33
примесь масла свыше 4-6$ по массе приводит к монотонному снижению коэффициента теплоотдачи;
зависимость коэффициента теплоотдачи от концентрации масла при См < А-6% имеет сложный характер и, в некоторых случаях ^см может превышать обд чистого растворителя.
Уменьшение интенсивности теплоотдачи для раствора можно объяснить обеднением в процессе кипения пристенного слоя легко-летучим компонентом. Нарушение в области малых См монотонности зависимости o^CM=r(cMJ свидетельствует о наличии факторов, влияющих на теплоотдачу, но не вытекающих из представлений о процессе кипения растворов сформулированных выше.
Первым сделал попытку объяснить аномальный характер изменения коэффициента теплоотдачи в области малых См К.Стефан /126/, предположивший, что этот эффект связан с интенсивным ценообразованием, оказывающим турбулизирующее воздействие. Однако более поздние исследования /108, 135/ показали, что ценообразование не является необходимой предпосылкой интенсификации теплообмена при малых См .
Более предпочтительной выглядит гипотеза /135/, что увеличение теплоотдачи происходит за счет возникновения в области малых концентраций масла сильных межфазных взаимодействий, приводящих к снижению поверхностного натяжения у границы раздела фаз. Вследствие этого уменьшается значение R кр и увеличивается число действующих центров парообразования, что интенсифицирует теплообмен. Причиной межфазных взаимодействий, по мнению авторов /135/, является наличие в маслах поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Объяснение аномального характера влияния малых добавок масла на теплоотдачу при кипении на основе гипотезы о существовании сильных межфазных взаимодействий представляется вполне убедительным. Косвенным подтверждением этому являются результаты экспери-
ментов по влиянию малых добавок ПАВ на теплоотдачу при кипении /36, 78, 98 и др./. Б этих работах отмечается значительное увеличение <^еМ » по сравнению с об чистых компонентов.
По данным работ /ПО, 135/ при малых концентрациях масла в растворе поверхностное натяжение на границе раздела пар - жидкость для раствора действительно оказалось меньше, чем для чистого растворителя. Однако имеются и другие данные. Р.Хайде /106/ исследовал поверхностное натяжение на границе раздела пар - жидкость для растворов: RII - КМ-33, RI2 - КМ-33, R 22 - ХК-27, r 12 - Shell2Z42 , R 22- Shell 2Z4Z , R ш - Shell ZZ-1Z . Понижения коэффициентов поверхностного натяжения до значений, меньших чем у чистого холодильного агента, обнаружено не было. С увеличением массовой доли масла поверхностное натяжение увеличивалось. В работе сделан вывод о том, что увеличение коэффициента теплоотдачи при кипении в результате малых добавок масла нельзя связывать с изменением поверхностного натяжения.
К аналогичному выводу пришли авторы работы Лої/, исследовавшие теплообмен при кипении растворов RII с минеральным и полусинтетическим маслами. В области См от 0 до 0,08 для растворов с минеральным маслом при определенных условиях наблюдалось увеличение теплоотдачи до значений, больших, чем у чистого R II. Однако проведенные эксперименты показали, что поверхностное натяжение раствора не имеет минимума, а монотонно увеличивается с ростом концентрации масла. Авторы считают, что аномальное изменение коэффициента теплоотдачи в результате малых добавок масла не может быть полностью объяснено эффектом изменения коэффициента поверхностного натяжения или вспениванием.
В работе /122/ исследовалось влияние вида растворенного масла на теплоотдачу при кипении. Эксперименты выполнялись с R 12 и маслами 3GS, Цв$ , 5&S . Установлено, что при равной кон-
центрации масло с большей вязкостью дает большие значения коэффициента теплоотдачи. Опытные данные /122/ при См =0,03 приведены на рис.1.18. Такое влияние вида растворенного масла не находит объяснения с точки зрения современных представлений о механизме теплообмена при кипении.
С.Чонгрангреонг и Х.Зауер /89/ напротив утверждают, что коэффициент теплоотдачи уменьшается с увеличением вязкости растворенного масла. Такой вывод сделан на основании экспериментальных данных по кипению растворов R II с тремя минеральными маслами.
Изложенные особенности теплообмена при кипении растворов хлорфторорганических соединений с маслами затрудняют возможность обобщения опытных данных. В большинстве работ экспериментальные данные представлены в графическом виде.
О.П.Иванов /32, 33/ обработал собственные опытные данные по
кипению растворов RI2 с маслом ХФ-І2 и R 22 с маслом ХФ-22С соот
ношениями вида х6см = А(см>Р) ' ^ . Здесь показатель степени
П зависит от концентрации растворенного масла, коэффициент А
от_См_и от давления. Аналогичного рода обработка собственных
опытных данных была выполнена авторами работы /101/.
С.Чонгрангреонг и Х.Дне.Зауэр /89/ предложили обобщенное соотношение для расчета теплоотдачи при кипении холодильных агентов и их растворов с маслами:
Ы,с„ - 0,OSZSi
9,-1
Уем 1см
ій*69 г
см ср см
CM J
0,395
0 Л і
i-<)W[
. 0,оіїП J
w 111. M p"
4f*9
(I.I6)
оС-/0;38т/(м2к;^
О 0 4 8 12 16 20 24 &Т,К
Рис.1,18 Влияние вида растворенного масла на теплоотдачу при кипении RI2 /122/: Д - масло ZGS (V= 33,5-Ю*6 м^с при 38С) о - масло Цвв (V= 62,6» Ю"6 м^/с при 38С) D-масло 5GS (у= ІІІ.ІСГ6 м^/с при 38Cj
где I - характерный размер нагреваемой поверхности, м; ра = Ю5 Па.
Авторы работы /89/ сопоставляли собственные экспериментальные данные, полученные при кипении растворов RII с минеральными
/ -маслами в диапазоне изменения концентраций См от 0 до ОД, с
расчетными. При С^ s 0,05 максимальное отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по формуле (I.I6) составило 33%. При См = ОД максимальное отклонение возросло до 43%. Сопоставления с данными других авторов по кипению растворов в /89/ не выполнялось, однако К.Стефан и Дж.Митрович /130/ получили существенное расхождение результатов расчета по уравнению (I.I6) для растворов RI2 с маслом с экспериментальными данными О.П.Иванова /32/. Можно также отметить, что структура уравнения (I.I6) не соответствует наблюдаемому в экспериментах влиянию плотности теплового потока и давления на теплоотдачу при кипении растворов хлор-фяорорганических соединений с маслами.
Других попыток обобщения экспериментальных данных по кипению растворов органических соединений с маслами автору не известно.
1.5. Выводы
В современной научно-технической литературе общепризнанным является мнение, что особенности теплообмена при кипении растворов обусловлены различием равновесных концентраций компонентов в
паровой и жидкой фазах. Этот фактор вызывает формирование у поверхности нагрева при кипении диффузионного слоя с повышенной
концентрацией труднолетучего компонента, что отрицательно влияет на теплоотдачу (см.разд.1.2). Подобный подход позволяет качественно объяснить влияние различных факторов (состава, давления,
плотности теплового потока) на теплообмен при пузырьковом кипении растворов. Однако существующие расчетные соотношения далеко не полностью отражают процесс теплообмена при кипении растворов в количественном отношении.
Большинство уравнений для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении растворов получены на основе уравнений для однокомпонентних жидкостей. Исходя из тех или иных Физических соображений эти уравнения дополняются безразмерными комплексами, учитывающими особенности теплообмена при кипении растворов. Структура комплексов различна в уравнениях разных авторов, однако в любом из них они определяются разностью равновесных концентраций компонентов в паровой и жидкой фазах.
Анализ экспериментальных данных показывает, что существующие уравнения не всегда точно отражают закономерность изменения коэффициента теплоотдачи. Из опытов известно, что при кипении растворов показатель степени в уравнениях вида о6= A-fy зависит от концентрации, а увеличение давления оказывает меньший интенсифицирующий эффект на оС при кипении раствора, по сравнению с составляющими его компонентами. В ряде случаев наблюдалось и уменьшение о6см с ростом р . Рассмотренные выше уравнения для расчета о6см не предполагают возможность подобных эффектов и в связи с этим не отражают достаточно полно закономерности теплообмена при кипении растворов. Исключением является уравнение (I.I3), однако возможность его использования для практических расчетов ограничена (см.разд.1.3).
Растворы хлорфгорорганических соединений с маслами относятся к группе растворов с нелетучим компонентом. Закономерности теплообмена при их кипении в качественном отношении в основном аналогичны данным для этой группы растворов (вода - глицерин, вода - этиленгликоль и др.) и могут быть объяснены исходя из сов-
ременных представлений о теплообмене при кипении растворов.
Анализ литературных данных по кипению растворов хлорфторор-ганических соединений с маслами позволяет отметить следующее:
до настоящего времени нет четких представлений о влиянии вида растворенного масла на теплоотдачу при кипении;
отсутствуют аналитические выражения для расчета сО^м в широком диапазоне изменения давления, плотности теплового потока, вида и концентрации растворенного масла для различных растворителей;
нет однозначного мнения о причинах аномального изменения сСсм в области малых Ch .
Расчет теплоотдачи при кипении растворов хлорфторорганичес-ких соединений с маслами по формулам (1.6), (1.9), (I.I2), рассмотренным в разделе 1.3, невозможен. Для применения этих соотношений необходимо найти значения коэффициентов теплоотдачи при кипении каждого компонента. Однако для масла такие данные в настоящее время не могут быть получены, поскольку в области давлений, характерных для работы испарителей холодильных машин и выпарных аппаратов, достичь точки кипения не удается, так как начинается термическое разложение масла. Формула (I.II) фактически не учиты-вает влияние разности К.ха~ ха) на теплоотдачу при кипении растворов с нелетучим компонентом, что не соответствует экспериментальным данным.
Вопросы проектирования теплообменяых аппаратов не могут быть успешно решены при отсутствии аналитических методов расчета теплоотдачи. В связи с этим дальнейшее развитие общих представлений о механизме теплообмена при кипении растворов и получение данных для разработки аналитических соотношений по теплоотдаче при кипении отдельных групп растворов, в частности растворов хлорфторор-ганических соединений с маслами,имеет большое практическое значение.
2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ
2,1. Оба компонента присутствуют в паровой и -жидкой фазах
Перенос теплоты при кипении растворов сопровождается одновременным переносом массы, что вызывает необходимость рассмотрения совместной задачи: тепло- и массообмена. Это обстоятельство существенно затрудняет возможность аналитического описания процесса переноса теплоты при кипении растворов. Наиболее реальный подход здесь, по-видимому, состоит в использовании существующих моделей теплообмена при кипении однокомпонентних жидкостей с введением дополнительных параметров, учитывающих особенности переноса теплоты при кипении растворов.
Для анализа общих закономерностей теплообмена при кипении бинарных растворов рассмотрим процесс формирования паровых пузырей на поверхности нагрева. При кипении растворов азеотропного состава процесс образования паровых пузырей принципиально не отличается от случая кипения однокомпонентних жидкостей. Для таких растворов при заданной плотности теплового потока можно записать, что ^zh-^cm и% * соответственно 4 tCM~ &tCM ил (см.разд.1.3).
Для растворов, равновесные составы пара и жидкости которых различны, обычно оЬсмФ обсм и$ и ь^спФ ^сциа . При кипении таких растворов в паровую фазу переходит преимущественно легколетучий компонент и в пристенном слое жидкости у границы раздела фаз поддерживается более высокая, чем в основной массе жидкости, концентрация труднолетучего компонента.
Массовую долю легколетучего компонента в объеме жидкости и на наружной границе диффузионного слоя обозначим С& . Локальную массовую долю легколетучего компонента в жидкости у границы
Похожие диссертации на Закономерности тепло- и массообмена при кипении на трубах растворов хлорфторорганических соединений с маслами
