27.5. Критичні теплові потоки і коефіцієнти тепловіддачі при кипінні розчинів, які не утворюють азеотропні суміші

На рис.27.15. наведені криві зміни критичних теплових потоків q_кр1 від складу (концентрації компоненту Сў_нк, який кипить при більш низькій температурі) для деякої

Рис.27.15. Залежність q_кр1 від складу при об’ємному кипінні бінарної суміші органічних рідин у великому об’ємі: дифеніл – бензол, р = 0,2 МПа; 2 – МІПД – бензол, р = 0,2 МПа; 3 – дифеніл – бензол, р = 0,7, 8,5 МПа; 4 – суміш пари і метатерфенілів, р = 0,2 МПа; 5 – ацетон – толуол, 0,1 МПа

двокомпонентної суміші органічних рідин при об’ємному кипінні на зануреній поверхні. Як видно з рисунка, в одних випадках зміна складу суміші майже не впливає на значення q_кр1, в інших критичні теплові потоки для суміші завжди вищі q_кр1 чистих компонентів. Така залежність q_кр1 від концентрації Сў_нк не може пояснюватися зміною фізичних властивостей середовища.

Рис.27.16. Залежність q_кр1 від масової концентрації етанолу у воді: 1 – дослідні дані; 2 – розрахункова крива

На рис.27.16 дослідні значення критичних теплових потоків q_кр1 для розчинів етанолу у воді співставленні з кривою, розрахованій теоретично при використанні фізичних властивостей суміші. У відповідності із зміною фізичних властивостей середовища q_кр1 повинен безперервно зменшуватися від значень, отриманих при кипінні чистої води, до значень характерних для етанолу. Між тим дослідні значення q_кр1 при низьких концентраціях спирту Сў_нк вищі, ніж для чистої води, а при високих Сў_нк хоч і нижчі, ніж для води, але перевищують розрахункові величини.

Для всієї розглянутої на рис.27.15 і 27.16 суміші (за винятком суміші пара – метатерфенол) чітко проявляється максимум на кривих q_кр1 = f(Сў_нк); іноді є два максимуму (крива 3 на рис.27.15)

Рис.27. 17. Залежність коефіцієнта тепловіддачі від концентрації при кипінні дифеніл бензольної суміші на горизонтальній трубі діаметром 5 мм: а) – р = 0,108 МПа; б) – р = 0,8 МПа; при q кВт/м2: 1 – 200; 2 – 100; 3 – 50 [на рисунку допущена помилка, необхідно читати a, кВт/(м2·°С)]

Аналіз дослідних даних показує, що великий вплив на хід кривої q_кр1 = f(Сў_нк) оказує співвідношення в значеннях температур насичення компонентів, з яких складається суміш. Суміш низько киплячої рідини з високо киплячою максимальні величини q_кр1 значно перевищують q_кр1 для окремих компонентів. У той же час коефіцієнти тепловіддачі за цих умов значно менші a для чистих рідин (рис.27.17).

Отримані залежності q_кр1 = f(Сў_нк) і a = f(Сў_нк) можна пояснити наступним чином. При кипінні бінарних розчинів високо киплячої (ВК) і низько киплячої (НК) рідин, які не утворюють азеотропної суміші, всередину парової бульбашки випаровується переважно НК компонент. Тому у межах киплячого пограничного шару концентрація ВК компоненту збільшується по відношенню до основної маси суміші, тобто у пограничному шарі поряд з градієнтом температур має місце градієнт концентрацій компонент. Тому що температура суміші залежить від її складу, то температура насичення рідини у прилеглому до поверхні шару оказується завжди вищою, ніж на відстані від неї. Рідина, яка підтікає до поверхні, нагрівається тут до температури, що перевищує температуру, яка повинна була б бути, якби концентрація у плівці була б такою ж, як і в основній масі суміші. На це тратиться додаткова кількість теплоти Dq. Збільшення кількості теплоти, яка передається одному і тому ж об’єму рідини, призводить до збільшення теплової енергії, яка виноситься молями паро рідинної суміші (внаслідок збільшення різниці між ентальпією рідини у пограничному шарі і на відстані від нього). Цей ефект тим більший, чим більша різниця температур між рідиною безпосередньо біля поверхні теплообміну і в основній масі. Остання суттєво залежить як від різниці рівноважних концентрацій НК компонента в паровій СІ_нк і рідкій Сў_нк фазах (DС = DСІ_нк – – DСў_нк), так і від крутизни кривої насичення [кривої t_н = f(Сў_нк)]. Чим вище DС, тим при тій же інтенсивності процесу масообміну установиться більший градієнт концентрацій у пограничному шарі. У той же час одне і те ж значення DС окаже тим більший вплив на кількість теплоти, яка переноситься молями суміші, чим більша крутизна лінії насичення, тобто чим більший вплив концентрації на t_н.

­Рис.27.18. Криві насичення для суміші МІПД – бензол (Сў_м.нк – молярна концентрація НК компонента в рідині): –––––––– – крива кипіння рідини; – – – – – крива сухої насиченої пари Рис.27.19. Залежність DС від Сў_нк для бінарної суміші: а) – МІПД – бензол (молярні концентрації); б) – вода-етанол (масові концентрації)­

На рис.27.18 наведені криві насичення (діаграма рівноваги) для суміші моноізопропілдифенілу (МІПД) з бензолом, на рис.27.19 залежності різниці концентрацій НК компоненту в паровій і рідкій фазах DС від Сў_нк для тієї ж суміші. Криві насичення і залежності DС = f(Сў_нк) для іншої розглядуваної суміші ВК і НК рідин мають аналогічний характер.

З рисунків видно, що DС спочатку зростає, а далі, при досягненні деякого найбільшого значення, починає зменшуватися. Крутизна кривої насичення для рідкої фази безперервно падає. Тому на початку, коли DС зростає, а t_н зменшується при збільшенні концентрації НК компоненту, критичний тепловий потік збільшується. При цьому чим швидше зростає DС і крутіша крива t_н= f(Сў_нк) для рідкої фази, тим різкіше збільшується q_кр1. У подальшому, коли DС і крутизна кривої насичення зменшуються, q_кр1 падає (наявність різниці температур насичення у прилеглій до стінки плівці і масі суміші продовжує чинити позитивний вплив на кількість винесеної теплоти, але цей вплив менший, ніж при більш низьких концентраціях НК компоненту).

У залежності від форми кривої t_н= f(Сў_нк) і DС = f(Сў_нк), а також теплофізичних властивостей рідин залежність q_кр1 = f(Сў_нк) може мати один чи два максимуми.

При великих концентраціях НК компоненту спочатку із збільшенням Сў_нк у суміші (зміщуючись справа наліво по кривій насичення, рис.27.18) ВК компонент усе в більшій кількості збирається біля поверхні тепловіддачі. Ентальпія молів, які відриваються від поверхні, при цьому зростає. Зростає також ентальпія молів, які рухаються до поверхні, але спочатку основну дію чинить перший фактор, а у подальшому в залежності від форми кривої t_н= f(Сў_нк) для кожної фази у цій її частині збільшення температури насичення суміші може чинити переважний вплив, і тоді q_кр1 після деякого збільшення починає падати. Другий максимум (якщо він має місце в правій частині графіка) завжди повинен бути меншим за перший, тому що в області низьких концентрацій НК компоненту збільшення DС супроводжується зменшенням t_н, у той час як при високих значеннях Сў_нк температура суміші при збільшенні Сў_нк, навпаки, збільшується.

Для підвищених тисків зміна Dt_н у залежності від Сў_нк при низьких концентраціях НК компоненту відбувається менш стрімко, а невеликі значення DС досягаються при більш високих вмістах НК компоненту в суміші (див. рис.27.18 і 27.19). З цієї причини точка, яка визначає найбільше значення q_кр1, зміщується в бік більш високих концентрацій С_нк.

З поданого матеріалу стає зрозумілим, чому, наприклад, для суміші дифеніл – бензол чи МІПД – бензол максимальні значення перевищують критичні теплові потоки для чистих компонентів, у той час як для суміші паратерфенілу і метатерфенілу зміна q_кр1 у залежності від складу суміші протікає практично по лінійній залежності (від більшого значення q_кр1 для паратерфенілу до меншого – для метерфенілу, див рис.27.15). У суміші високо киплячого органічного теплоносія з бензолом температури насичення t_н для чистих рідин відрізняються майже на 200°С, у той час як температура насичення паратерфенілу перевищує значення t_н для метатерфенілу тільки на ~10°С. У перших двох сумішах безумовно найбільші значення різниці концентрацій НК компоненту DС у паровій і рідкій фазі також значно вищі, ніж у сумішах терфенілів.

Спостереження за механізмом процесу кипіння показали, що з ростом DС відривний діаметр бульбашки, середня швидкість їх росту і кількість діючих центрів пароутворення зменшується. Таким чином, хід кривих на рис.27.15 знаходить просте і логічне пояснення.

З наведених даних слідує, що для бінарної і багатокомпонентної суміші органічних рідин, близьких за своїми властивостями до ідеальних розчинів, практично теплові потоки змінюються по залежностям, які практично не мають екстремальних значень, якщо температури t_н для окремих складових суміші близькі одна до одної; і, навпаки, при певних складах суміші q_кр1 приймає значення q_{кр1,макс}, який значно перевищує критичні теплові потоки для чистих компонентів, якщо t_н для чистих речовин суттєво відрізняються між собою. Дані отримані на трійних сумішах високотемпературних теплоносіїв добре погоджуються з цим висновком.

Аналогічні міркування дозволяють вияснити, чому за цих умов коефіцієнти тепловіддачі зменшуються (рис.27.17). Якщо добавити до чистої ВК рідину з НК компонентом, температура суміші зменшиться значніше, ніж температура кипіння прилеглого до поверхні теплообміну шару, тому що концентрація ВК компоненту у шарі більша, ніж у масі рідини. Тому при тій же інтенсивності обміну числові значення a зменшуються (температурний перепад Dt зростає).

При додаванні у чисту НК рідину ВК компоненту, концентрація його збільшиться у плівці, яка прилягає до поверхні, у зв'язку з цим при тому ж тепловому потоці температура стінки підвищується. Це також призводить до збільшення Dt і зменшення коефіцієнта тепловіддачі a. Таким чином, у суміші органічних рідин, які відрізняються за значенням t_н, критичний тепловий потік збільшується, а коефіцієнт тепловіддачі падає.

Рис.27.20. Значення q_кр1 для суміші дифеніл бензолу: а) – р = 0,785 МПа; б) – р = 1,77 МПа; при Dt_н,°С: 1 – 0; 2 – 25; 3 – 50; 4 – 100

На рис.27.20 наведені значення критичних теплових потоків для суміші дифеніл бензолу при поверхневому кипінні і різних значеннях Dt_н. Тут же показані криві, отримані у тих же умовах при об’ємному кипінні (t = t_н). Як видно з рисунка, при постійних значеннях Dt_н (Dt_н = t_н – t) характер залежності q_кр1 від складу в основному зберігається таким самим, як і при Dt_н = 0, а вплив недогріву не відрізняється від впливу Dt_н на q_кр1 для чистих рідин (рис.27.21). Однак і за цих умов кількісні залежності, які установлені для однокомпонентних середовищ, не відображають специфіки процесу віддачі

Рис.27.21. Вплив Dt_н на q_кр1 (суміш дифеніл бензолу, р = 0,118 МПа):1 – розрахункове значення; 2 – дослідні дані

теплоти до суміші і можуть використовуватися тільки для наближених розрахунків.

­Рис.27.22. Значення коефіцієнта тепловіддачі при різних значеннях Dt_н для суміші дифеніл бензолу при q = 290 кВт/м² (кипіння на горизонтальній трубі діаметром 5 мм): а) – р = 0,353 МПа; б) – р = 0,8 МПа; при Dt_н,°С: 1 – 0; 2 – 10; 3 – 30; 4 – 80; [на цьому рисунку допущена помилка, необхідно читати a, кВт/(м²·К)]

Рис.27.23. Критичні теплові потоки при поверхневому кипінні суміші в трубах (р = 0,66 МПа; Dt_н = 50°С): а) – етанол-вода; б) – ацетон вода: 1 – w₀ =5 м/с; 2 – w₀ = 3,5 м/с; 3 – DС = f(Сў_нк) ­

Як і для однокомпонентних рідин, при поверхневому кипінні суміші ступінь недогріву суттєво впливає інтенсивність тепловіддачі. Із збільшенням Dt_н коефіцієнти тепловіддачі, які розраховані по температурному перепаду між стінкою і рідиною, падають (рис.27.22). Вплив концентрації суміші при поверхневому кипінні якісно залишається таким самим, як і за умови, коли температура рідини дорівнює t_н.

Залежності q_кр1 від складу при кипінні бінарної суміші трубах наведені на рис. 27.23. На рисунку наведені також криві, які установлюють зміну різниці концентрацій НК компоненту в парі і рідині в залежності від Сў_нк. З рис.27.23 видно,

Рис.27.24.Критичні теплові потоки при поверхневому кипінні суміші МІПД-бензол у трубах і кільцевих каналах: а) – w₀ = 4 м/с; б) – w₀ = 8 м/с; 1, 3 – кільцевий канал, р = 0,294 МПа; 2, 4 – труба, діаметр 10 мм, р = 0,2 МПа

що характер впливу складу суміші на q_кр1

залишається таким самим, як і при кипінні у великому об’ємі. Максимальні

значення критичних теплових потоків у цьому випадку також установлюються при DС близьких до DС_макс. Із збільшенням швидкості (так само як і для чистих рідин) значення критичних теплових потоків збільшуються. Аналогічні залежності q_кр1 від Сў_нк і w₀ установлюються також при кипінні в кільцевих каналах (рис.27.24).

27.6. Теплообмін при кипінні розчинів, які утворюють азеотропні суміші

Як відомо, в азеотропних системах при певній концентрації складових Сў_нк і Сў_вк склад пари і рідини рівні і суміш веде себе як однокомпонентна рідина. Дослідження показали, що залежності q_кр = f(Сў) і a = f(Сў) в розчинах, які утворюють азеотропні суміші носять ще більш складний характер.

Рис.27.25. Критичні теплові потоки при поверхневому кипінні азеотропної суміші бензол-етанол (w₀ = 5 м/с) при Dt_н °С: 1 – 30; 2 – 50; 3 – 70; 4 – DС = f(Сў)

На рис.27.25 наведені криві зміни критичних теплових потоків при поверхневому кипінні суміші бензол – етанол. Ця суміш у азеотропній точці має склад: 32,4% бензолу і 67,6% етанолу. На рисунку показана також крива, яка визначає значення DС у залежності від складу суміші.

Як видно з цих залежностей, максимальні значення q_кр1 знаходиться біля екстремальних точок на кривій DС = f(Сў_нк), а мінімальні – в азеотропній точці чи біля неї. Це дає підставу розглядати таку суміш як суміш одного з компонентів з розчином азеотропного складу, а систему з азеотропною точкою у цілому – як дві окремі суміші. Якщо такий підхід є правильним, то криві зміни коефіцієнта тепловіддачі у залежності від складу (у відповідності з розглянутим вище механізмом тепло і масообміну в бінарних сумішах) повинні мати два мінімуми, а найбільші значення a для суміші повинні знаходитися в азеотропній точці.

Рис.27.26. Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні азеотропної суміші у великому об’ємі а) – вода-пропінол; б) – етанол-бензол при q, кВт/м2: 1 – 232; 2 – 175; 3 – 116; 4 – 58

При кипінні азеотропної суміші вода-пропанол (рис.27.26,а) така картина спостерігається досить точно. У той же час, в інших випадках (рис.27.26,б) має місце помітне відхилення отриманих залежностей від очікуваних при урахуванні тільки розглянутих вище впливів. Це, ймовірно, пов’язано з тим, що в реальних умовах поряд з основною причиною, яка обумовлює той чи інший характер протікання процесів, великий вплив може оказувати ряд інших факторів (хід кривих зміни концентрації складових суміші у плівці, яка прилягає до поверхні нагріву, теплофізичні властивості рідин і їх суміші та ін.).

При кипінні розчинів нелетких речовин у парову фазу переходить майже виключно розчинник. Тому навколо парової бульбашки і особливо в шарі, який прилягає до поверхні теплообміну, концентрація розчиненої речовини оказується більшою, ніж у масі розчину. Температура насичення розчину біля поверхні при цьому збільшується і навіть при одній і тій же інтенсивності процесу масообміну, якщо тепловий потік залишається постійним, температура стінки повинна бути вищою, ніж при кипінні однорідної рідини. Із збільшенням концентрації розчиненої речовини С_р цей ефект (до певних значень С_р) повинен підсилюватися. Таким чином, із збільшенням С_р коефіцієнт тепловіддачі, розрахований за температурним перепадом між стінкою і масою киплячої рідини, повинен зменшуватися. Однак така залежність a = f(С_р) не може бути безмежною. При певній концентрації розчину вміст розчиненої речовини у шарі, який безпосередньо прилягає до поверхні теплообміну, досягає насичення і з подальшим підвищенням С_р не змінюється, а між тим температура кипіння розчину при цьому буде збільшуватися.

Рис.27.27. Залежність коефіцієнта тепловіддачі від концентрації С_р для розчинів нелетких речовин: 1 – водний розчин NaOH, q = 100 кВт/м²; 2 – водний розчин NaCl, q = 100 кВт/м²; 3 – водний розчин сечовини, q = 62,5 кВт/м²; 1 і 2 –кипіння у великому об’ємі; 3 – кипіння в трубах при w₀ = 0,89 м/с

Усе це приводить до того, що температурний перепад між стінкою і рідиною починає зменшуватися, а a – збільшуватися. Таким чином, крива a = f(С_р) для розчинів нелетких речовин повинна проходити через мінімум. Існуючі дослідні дані повністю погоджуються з наведеними уявленнями про вплив С_р на інтенсивність теплообміну до розчинів, які складаються з нелетких речовин, про що свідчить рис.27.27.