К.т.н. Койбагаров С.Х.

Семипалатинский государственный университет имени Шакарима

НЕСТАЦИОНАРНОЕ ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ С ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТОГО ТЕЛА

Явление испарение жидкости в высокотемпературной среде лежит в основе многих технических процессов, таких как термообработка компонентов, создание рабочего тела для переработки рабочего тела.

В настоящей работе приведены результаты излучения процесса испарения смеси в высокотемпературной нестационарной среде условиях при наличии составляющей теплообмена.

Согласно анализу кинетических зависимостей термическое сопротивление при испарении с поверхности жидкости при атмосферном давлении незначительно. Однако при испарении жидкости с пористой поверхности интенсивность теплообмена снижается, т.к. к термическому сопротивлению фазового перехода добавляется термическое сопротивление мениска жидкости. Кроме того, воздействие адгезионных сил приводит к повышению температуры испарения. Поэтому термическое сопротивление между поверхностью пористой структуры и паровой фазой может быть существенным /1,2/ и его надо учитывать при проектировании тепловых аппаратов.

Анализ механизма испарения с пористой поверхности и разработка на его основе метода расчета теплоотдачи в испарителях тепловых аппарата явились предметом настоящего исследования.

Пористая структура моделируется системой цилиндрических капилляров с заданной температурой стенки Т_Сгп. Для определения необходимо знать количество теплоты поглощаемой при испарении о поверхности мениска одиночного капилляра

(1)

Степень воздействия адгезионных и капиллярных сил на интенсивность испарения о поверхности мениска зависит от толщины слоя жидкости. Мениск разбивается на четыре области:

I. Область равновесной пленки.

Здесь адгезионные силы велики и практически исключают испарение.

П. Область частично испаряющейся пленки . Здесь действие адгезионных сил несколько ослабляется, подтекание жидкости происходит за счет градиента расклинивающего давления

Ш. Область испаряющейся пленки . Здесь влияние адгезионных сил несущественно, подтекание жидкости происходит за счет градиента капиллярного давления.

1У. Область собственно мениска, . Здесь перепада давления в подтекающей жидкости много меньше капиллярного давления и форму мениска можно считать совпадающей с изотермической, т.е. сферической с радиусом R_М .

Для определения толщины пленки и соответственно интенсивности испарения решалась система уравнений неразрывности, движения (в приближении погранслоя) и теплопроводности,

с граничными условиями

Соответствующим преобразованием системы было получено уравнение, описывающее форму пленочной части мениска:

После решения этого уравнения определение и не представляет труда. Так, для количества тепла, отводимого за счет испарения жидкости из одного капилляра, с учетом вклада перечисленных выше областей, получено

_;

(2)

и соответственно по формуле (I) выражается .

Расчет для воды, , приведен на рис. 1.

Таким образом, с увеличением радиуса капилляра коэффициенты теплоотдачи понижаются, возрастает вклад в теплосъем области. Чтобы получить высокие коэффициенты теплоотдачи следует применять мелкопористые материалы с высокой пористостью.

Применим полученные результаты к анализу работы испарителя тепловой трубы. Имеется в виду получение зависимости между тепловым потоком q,, отводимым в испарителе, и температурным напором . Заметим, что даже в случае полного смачивания радиус мениска R_M может не совпадать с радиусом капилляра R_к . Этот факт отражен на рисунке 2.

Рисунок 1 – Коэффициент теплоотдачи при испарении с пористой поверхности

Рисунок 2 - Схема мениска

Далее учтем следующее: при изменении теплового потока q. изменяется капиллярное давление и соответственно Для тепловой поверхности в первом приближении имеет место следующая связь:

(3)

где коэффициента С₁, С₂ зависят от теплофизических свойств рабочей жидкости и пара и от конструктивных параметров тепловой поверхности. Из формулы (2) следует, что

(4)

где

Здесь

Система уравнений (3) я (4) позволяет получить зависимость q(ΔT), а также . В /3/ предложена тепловая поверхности (рабочая жидкость - вода) для теплового потока до 10⁷ Вт/м². Для конкретного расчета возьмем Вт/м²; м; м; Вт²Па/м⁴

Потоком q, отводимым в испарителе, и температурным напором T_cm-T_s . Заметим, что даже в случае полного смачивания радиус мениска R_M может не совпадать с радиусом капилляра К_к .

С ростом теплового потока возрастает коэффициент теплоотдачи. Это объясняется увеличением кривизны мениска и уменьшением его термического сопротивления.

Таким образом, с изменением теплового потока от I0⁴ до I0⁷ Вт/м² перепад температуры, связанный с испарением с поверхности пористой структуры возрастает от 0,08 до 13°С. Это значительная величина и ее следует учитывать при проектировании тепловых аппаратов.

Обозначения

α_ф - коэффициент теплоотдачи фазового перехода, δ - толщина пленки жидкости, ρ - плотность, %, r- теплота фазового перехода, ν - коэффициент кинематической вязкости, λ - коэффициент теплопроводности, - индивидуальная газовая постоянная; R_K - радиус капилляра, П - пористость, - функция распределения пор по размерам, σ - коэффициент поверхностного натяжения, а и b -постоянные, δ_**- эффективный радиус действия поверхностных сил; индексы: ж - жидкость, п - пар; -дельта-функция Дирака.

Литература

1 Холм, Гоплен. Теплообмен в тонкопленочной переходной области мениска. - Теплопередача, 1979, № 3, с. 196

2 Лыков А.В. Тепломасообмен. Справочник.- М.: «Энергия»,1978,480 с.

3 Казанский В.М. Тепло-и массобмен в дсперных системах 1965.ТМ вып.8 с.53-74

4 Берман Л.Д. Тепло-и массобмен при интенсивном испарении жидкостей.//Теплообмен и гидродинамика.-Л.: Наука, 1977,216 с.