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Kochende Flüssigkeiten. Abhängigkeit des Siedepunktes vom Druck. Sieden Was ist der Siedepunkt

Sieden- Dies ist ein intensiver Übergang von Flüssigkeit zu Dampf, der bei einer bestimmten Temperatur mit der Bildung von Dampfblasen im gesamten Volumen der Flüssigkeit auftritt.

Während des Siedens ändert sich die Temperatur der Flüssigkeit und des Dampfes darüber nicht. Es bleibt unverändert, bis die gesamte Flüssigkeit verkocht ist. Dies liegt daran, dass die gesamte der Flüssigkeit zugeführte Energie dafür aufgewendet wird, sie in Dampf umzuwandeln.

Man nennt die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit siedet Siedepunkt.

Der Siedepunkt hängt vom Druck ab, der auf die freie Oberfläche der Flüssigkeit ausgeübt wird. Dies liegt an der Abhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks von der Temperatur. Eine Dampfblase wächst, solange der Druck des gesättigten Dampfes in ihr den Druck in der Flüssigkeit, der sich aus dem Außendruck und dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule zusammensetzt, geringfügig übersteigt.

Je größer der Druck von außen, desto mehr Siedetemperatur.

Jeder weiß, dass Wasser bei 100 ºC siedet. Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass dies nur bei normalem atmosphärischem Druck (etwa 101 kPa) gilt. Mit zunehmendem Druck steigt der Siedepunkt von Wasser. So werden beispielsweise in Schnellkochtöpfen Speisen unter einem Druck von etwa 200 kPa gegart. Der Siedepunkt von Wasser erreicht 120°C. In Wasser dieser Temperatur ist der Kochvorgang viel schneller als in gewöhnlichem kochendem Wasser. Daher auch der Name „Schnellkochtopf“.

Umgekehrt erniedrigen wir dadurch den Siedepunkt, indem wir den äußeren Druck verringern. In Bergregionen (in einer Höhe von 3 km, wo der Druck 70 kPa beträgt) kocht beispielsweise Wasser bei einer Temperatur von 90 ° C. Daher benötigen die Bewohner dieser Gebiete, die solch kochendes Wasser verwenden, viel mehr Zeit zum Kochen als die Bewohner der Ebenen. Und in diesem kochenden Wasser zum Beispiel ein Hühnerei zu kochen, ist im Allgemeinen unmöglich, da das Protein bei einer Temperatur unter 100 ° C nicht gerinnt.

Jede Flüssigkeit hat ihren eigenen Siedepunkt, der vom Sättigungsdampfdruck abhängt. Je höher der Sättigungsdampfdruck ist, desto niedriger ist der Siedepunkt der entsprechenden Flüssigkeit, da bei niedrigeren Temperaturen der Sättigungsdampfdruck gleich dem atmosphärischen Druck wird. Beispielsweise beträgt bei einem Siedepunkt von 100 °C der Druck von gesättigtem Wasserdampf 101.325 Pa (760 mm Hg) und der Dampfdruck nur 117 Pa (0,88 mm Hg). Quecksilber siedet bei 357°C bei Normaldruck.

Die Verdampfungswärme.

Verdampfungswärme (Verdampfungswärme)- die Wärmemenge, die dem Stoff (bei konstantem Druck und konstanter Temperatur) zugeführt werden muss, um einen flüssigen Stoff vollständig in Dampf umzuwandeln.

Die für die Verdampfung erforderliche (oder bei der Kondensation freigesetzte) Wärmemenge. Um die Wärmemenge zu berechnen Q, notwendig für die Umwandlung einer Flüssigkeit beliebiger Masse in Dampf, am Siedepunkt genommen, benötigen Sie die spezifische Verdampfungswärme r Gedankenmesser zur Masse m:

Beim Kondensieren von Dampf wird die gleiche Wärmemenge freigesetzt.

SIEDETEMPERATUR
(Siedepunkt) - die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit so stark in Dampf (also Gas) übergeht, dass sich darin Dampfblasen bilden, die an die Oberfläche steigen und platzen. Die schnelle Bildung von Blasen im gesamten Volumen der Flüssigkeit wird als Sieden bezeichnet. Im Gegensatz zum einfachen Verdampfen beim Kochen verdampft die Flüssigkeit nicht nur an der freien Oberfläche, sondern im gesamten Volumen - innerhalb der gebildeten Blasen. Der Siedepunkt jeder Flüssigkeit ist bei einem gegebenen atmosphärischen oder anderen äußeren Druck konstant, steigt jedoch mit steigendem Druck und sinkt mit abnehmendem Druck. Beispielsweise beträgt der Siedepunkt von Wasser bei einem normalen Atmosphärendruck von 100 kPa (dies ist der Druck auf Meereshöhe) 100 ° C. In einer Höhe von 4000 m über dem Meeresspiegel, wo der Druck auf 60 kPa abfällt, siedet Wasser bei ca. 85 °C, und das Garen von Speisen in den Bergen dauert länger. Aus dem gleichen Grund garen Speisen in einem „Schnellkochtopf“ schneller: Der Druck darin steigt, und dann steigt die Temperatur des kochenden Wassers.
SIEDEPUNKTE EINIGER SUBSTANZEN(auf Meereshöhe)

Stoff __ Temperatur, °С
Gold ____________2600
Silber __________1950
Merkur _____________356.9
Ethylenglykol _____197.2
Meerwasser ______100.7
Wasser ______________ 100,0
Isopropylalkohol 82.3
Ethylalkohol _____78,3
Methylalkohol ____64,7
Äther _______________34.6

Der Siedepunkt einer Substanz hängt auch von der Anwesenheit von Verunreinigungen ab. Wird ein flüchtiger Stoff in einer Flüssigkeit gelöst, sinkt der Siedepunkt der Lösung. Umgekehrt, wenn die Lösung eine Substanz enthält, die weniger flüchtig ist als das Lösungsmittel, dann ist der Siedepunkt der Lösung höher als der einer reinen Flüssigkeit.
siehe auch
Erstarrungstemperatur;
WÄRME ;
FLÜSSIGE THEORIE.
LITERATUR
Croxton K. Physik des flüssigen Zustands. M., 1978 Novikov I.I. Thermodynamik. M., 1984

Collier Enzyklopädie. - Offene Gesellschaft. 2000 .

Sehen Sie, was "Siedepunkt" in anderen Wörterbüchern ist:

Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit unter konstantem Druck siedet. Der Siedepunkt bei normalem atmosphärischem Druck (1013,25 hPa oder 760 mm Hg) wird als normaler Siedepunkt oder Siedepunkt bezeichnet ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

SIEDEPUNKT, die Temperatur, bei der ein Stoff von einem Zustand (Phase) in einen anderen übergeht, d. h. von Flüssigkeit zu Dampf oder Gas. Der Siedepunkt steigt mit steigendem Außendruck und sinkt mit sinkendem Druck. Normalerweise sie... ... Wissenschaftliches und technisches Lexikon

- (bezeichnet mit Tbp, Ts), die Temperatur des Gleichgewichtsübergangs von Flüssigkeit zu Dampf bei DC. ext. Druck. Bei T. bis ist der Druck gesättigt. Dampf über der flachen Oberfläche der Flüssigkeit wird gleich ext. Druck, wodurch das gesamte Volumen der Flüssigkeit ... ... Physikalische Enzyklopädie

- - die Temperatur, bei der die Flüssigkeit unter Erwärmung vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht; Dieser Siedepunkt ist druckabhängig. Edwart. Wörterbuch der Automobilsprache, 2009 ... Automobil Wörterbuch

Die Temperatur, die eine Flüssigkeit beim Sprudeln erreicht * * * (Quelle: United Dictionary of Culinary Terms) ... Kulinarisches Lexikon

Siedetemperatur- - [A. S. Goldberg. Englisch-Russisches Energie-Wörterbuch. 2006] Themen Energie allgemein DE Siedetemperatur … Handbuch für technische Übersetzer

Siedepunkt, Siedepunkt ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit unter konstantem Druck siedet. Der Siedepunkt entspricht der Temperatur von gesättigtem Dampf über der ebenen Oberfläche einer siedenden Flüssigkeit, da ... Wikipedia

Siedetemperatur- (Tsieden, tsieden) Temperatur des Gleichgewichtsübergangs von Flüssigkeit in Dampf bei konstantem Außendruck. Am Siedepunkt wird der Sättigungsdampfdruck über einer ebenen Flüssigkeitsoberfläche gleich dem Außendruck, ... ... Enzyklopädisches Wörterbuch der Metallurgie

Siedetemperatur- 2,17 Siedetemperatur einer Flüssigkeit, die bei einem atmosphärischen Umgebungsdruck von 101,3 kPa (760 mmHg) siedet. Quelle: GOST R 51330.9 99: Explosionsgeschützte elektrische Geräte. Teil 10. Klassifizierung von explosionsgefährdeten Bereichen ... Wörterbuch-Nachschlagewerk von Begriffen der normativen und technischen Dokumentation

Bücher

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Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen. Analyse numerischer Daten und ihrer empfohlenen Werte. Nachschlagewerk, Yu.A. Lebedev Dieses Buch enthält die wichtigsten numerischen Eigenschaften einer Reihe von Kohlenwasserstoffen, unter denen die folgenden physikalisch-chemischen Konstanten berücksichtigt werden: Molekulargewicht, Temperatur ...

Aufschwimmen und der darin enthaltene gesättigte Inhalt. Dampf geht über der Flüssigkeit in die Dampfphase über. Kochen ist eine der Grundlagen. körperlich Phänomene in vielen verwendet Chemische Prozesse. Technologie. Die Besonderheit der letzteren ist die weit verbreitete Verwendung von Lösungen und Mischungen zersetzen. in-in als Arbeitsgremien. Die komplexe Thermohydrodynamik des Siedens von reinen Flüssigkeiten und Lösungen macht Kreaturen. Einfluss auf das Design und die Gesamtabmessungen der Technik. Geräte. Die Arbeit zur Erhöhung des Volumens und der Oberflächenenergie der Kugel. Blase mit Radius R, bestimmt durch die f-le: L 0 \u003d - (4/3) p R 3 D p+4 p L 2 s , wobei D p - Druckunterschied in der Blase und der umgebenden Flüssigkeit, Pa; und Koeffizient Oberflächenspannung, N/m. Mindest. der Radius der austretenden Dampfblase (Kern) R min \u003d 2T kip s /, wo r p - Dampfdichte, kg / m 3; r - Verdampfungswärme, J / kg (T fl und T Ballen werden unten erklärt). An Stellen, an denen die Keime der Dampfphase entstehen, können gasförmige Einschlüsse, Feststoffpartikel in der Flüssigkeit, Mikrokavitäten an den Heizflächen usw. dienen. Die für die Bildung eines Dampfflecks auf der Wand und der Dampf-Flüssigkeits-Grenzfläche erforderliche Arbeit: L=L 0 (0,5+0,75 cos Q- 0,25 cos 3 Q ), wobei Q - Kontaktwinkel der Benetzung . Bei Q =180° Arbeit L=0, d.h. auf abs. benetzte Oberfläche bildet sich wie im Flüssigkeitsvolumen eine kugelförmige Blase. Mit sinkendem Druck sinkt die Dampfdichte und die min. der Radius der Bildung von Kernen, die Heizfläche wird durch die Zentren der Erzeugung von Dampfblasen erschöpft. Dies führt zu einem instabilen Sieden, bei Krom findet eine konvektive Bewegung einer überhitzten Flüssigkeit statt, die durch ein oder mehrere heftige Sieden ersetzt wird. Mikrokavitäten mit geeignetem Radius. Bei einer Temperaturabnahme beim Sieden der Flüssigkeit werden diese Mikrohohlräume "abgeschaltet" und der Zyklus der Überhitzung der konvektiv bewegten Flüssigkeit wiederholt sich erneut. T-ra, bei dem eine Flüssigkeit unter konstantem Druck (z. B. atmosphärisch) siedet, genannt. Siedepunkt (T Ballen). Als T kip nimm t-ru sat. Dampf (Sättigungstemperatur) über einer flachen Oberfläche einer Flüssigkeit, die bei einem bestimmten Druck siedet. Siedetemperatur bei atm. Druck wird normalerweise als einer der wichtigsten angegeben. fiz.-chem. Eigenschaften von chemisch reinem In-va. Mit zunehmendem Druck steigt T kip (siehe Clapeyron-Clausius-Gleichung). T-Sprung begrenzen - kritisch. t-ra in-va (siehe Kritische Phänomene). Senken Sie den T-Ballen mit einer Verringerung der ext. Druck liegt der Definition von barometrisch zugrunde. Druck . Unterscheiden Sie zwischen volumetrischem und Oberflächensieden. Massensieden ist die Bildung von Dampfblasen innerhalb einer Flüssigkeitsmasse, die sich in einem überhitzten oder metastabilen Zustand bei Tf > Tsieden befindet, wobei Tf die Temperatur der überhitzten Flüssigkeit ist. Ein solches Kochen wird im sogenannten realisiert. Geräte zum volumetrischen Kochen, wirksam zur Neutralisierung und Entsorgung von aggressiven Flüssigkeiten, insbesondere Destillationsflüssigkeiten bei der Sodaherstellung. Oberflächensieden-Verdampfung auf der Heizfläche, die eine Temperatur T n > T siede hat. Ein solches Kochen ist auch in dem Fall möglich, wenn t-ra basisch ist. flüssige Masse T<Т кип, но в окрестности пов-сти нагрева образовался пограничный слой, перегретый до т-ры, превышающей Т кип. Осн. виды поверхностного кипения - пузырьковое и пленочное. Blasensieden tritt bei mäßigen Wärmeströmen an Mikrohohlräumen einer von einer Flüssigkeit benetzten Oberfläche auf. An den aktiven Verdampfungszentren entsteht Dampf in Form von Blasenketten. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit in direktem Kontakt mit der Heizfläche wird eine hohe Wärmeübertragungsrate - in diesem Fall der Koeffizient - gewährleistet. Wärmeübertragung a [W / (m 2 . K)] ist proportional zur Wärmestromdichte q(W/m2) hoch ~0,7. Filmsieden tritt auf nicht benetzbaren Heizflächen auf (z. B. Kochen in einem Glasrohr); Auf benetzten Oberflächen wandelt sich das Blasensieden beim Erreichen des ersten kritischen Punkts in Filmsieden (die erste Siedekrise) um. Wärmestromdichte q cr,1 . Die Intensität der Wärmeübertragung beim Filmsieden ist viel geringer als beim Blasensieden, was auf die kleinen Werte des Koeffizienten zurückzuführen ist. Wärmeleitfähigkeit l [W/(m . K)] und Dampfdichte im Vergleich zu ihren Flüssigkeitswerten. Mit laminarer Dampfbewegung in einem Film a ~q -O.25, während einer turbulenten Bewegung hängt die Intensität der Wärmeübertragung wenig von der Dichte des Wärmeflusses und der Größe des Heizkörpers ab. Eine Druckerhöhung führt in beiden Fällen zu einer Erhöhung von a. Die Zerstörung des Filmsiedens und die Wiederherstellung des Blasensiedens (zweite Siedekrise) auf benetzten Oberflächen erfolgt während des zweiten kritischen Zeitraums. Wärmestromdichte q kr,2[q cr.1 (Abb. 1). Siedekrisen werden präimal definiert. hydrodynamisch Mechanismus des Stabilitätsverlustes der wandnahen Zweiphasen-Grenzschichtstruktur. Kriterium hydrodynamisch. Siedestabilität hat die Form: , wobei DR Dichteunterschied zwischen Flüssigkeit und Dampf. In erster Näherung, wenn in einem großen Volumen gekocht wird, gesät. homogene, niedrigviskose Flüssigkeit k=const (für Wasser, Alkohol und viele andere Medien k~0,14-0,16). In Flüssigkeit, osn. Die Masse des Schwarms wird um den Wert v \u003d T sieden - T gut, den Parameter q kp ~ q kr, 10 (l + 0,1 ar p -0,75 K -1),

Reis. 1. Abhängigkeit der Wärmestromdichte von der Temperaturdifferenz

D T \u003d T und -T kochen beim Kochen in einem großen Volumen einer frei konvektierenden Flüssigkeit: 1 - Blasenmodus; 2 - Übergangsmodus, gekennzeichnet durch eine Veränderung der Blasenstruktur auf der Heizfläche durch eine durchgehende Dampfschicht (Film), aus der sich große Dampfblasen lösen; 3 - Filmmodus, bei Krom gibt es auch eine Strahlungswärmeübertragung von der Heizfläche zur Flüssigkeit durch die Dampfschicht; die gerade Linie kennzeichnet die dritte Siedekrise. wobei q kr,10 die Wärmestromdichte bei v=0 ist, r n - Verhältnis von Dampf- und Flüssigkeitsdichte, K=r/C p v - thermisches Kriterium des Phasenübergangs, C p - Wärmekapazität der Flüssigkeitsmasse, JDkg. ZU). Bei niedrigen Drücken ist eine dritte Siedekrise in Form eines direkten Übergangs vom Regime der konvektiven Flüssigkeitsbewegung zum entwickelten Filmsieden möglich. Dieser Übergang hat einen Kettenkavitationsmechanismus und wird bei Temperaturunterschieden an der Oberfläche des Erhitzens und Siedens realisiert, wobei die Bedingung erfüllt wird: wo l f und r w - bzw. Wärmeleitfähigkeit und Dichte der überhitzten Flüssigkeit, g - beschleunigungsfrei. Herbst. Die vierte Siedekrise ist mit der Entstehung der Thermodynamik verbunden. Instabilität der flüssigen Phase beim Erreichen eines bestimmten kritischen Werts. Heizung. Kritisch Die Wärmestromdichten beim Sieden in den Kanälen hängen wesentlich von deren Formen und Größen, der Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit und dem Dampfgehalt der Strömung ab. Universelle Muster haben sich hier noch nicht etabliert. Mit kostenlos Ausbreitung der Flüssigkeit über die heiße Oberfläche, die sog. kugelförmiger Zustand - die Flüssigkeit hängt unter dem Einfluss der Dynamik über der Heizfläche. Widerstand des entstehenden Dampfes (Abb. 2). Die Zeit der vollständigen Verdampfung eines gegebenen anfänglichen Flüssigkeitsvolumens wird durch die Temperatur des Erhitzers bestimmt.

Reis. 2. Formen der Verdampfung einer Flüssigkeit, die sich frei über eine heiße Oberfläche ausbreitet: und in einem Tropfen, der eine nicht sehr erhitzte Oberfläche benetzt, tritt Blasensieden auf; b das t-ra der Wand ist gestiegen, und der Tropfen nimmt eine Kugelform an; c bei einer Erhöhung der Temperatur der Heizfläche hängt der Tropfen in der Dampfschicht; d - mit zunehmendem Volumen nimmt der Tropfen die Form eines flachen Sphäroids an; e ist ein großes, in der Dampfschicht schwebendes Sphäroid, aus dem der Dampf durch kuppelförmige Blasen evakuiert wird.

In der Technik. Prozesse verwenden beide Arten des Oberflächensiedens. Filmsieden wird beispielsweise beim Flüssigabschrecken von Metall realisiert. Produkte. Die Auslegung von Wärmetauschern mit erzwungener Wärmestromzuordnung (unter Freisetzung von Joulescher Wärme, der Wärme des spontanen Zerfallsbezirks von Kernbrennstoffen, in Dampferzeugern usw.) erfolgt nach dem Blasensiedemodus Kühlmittel. Das Auftreten von Filmsieden, z.B. Wenn der Druck abgelassen wird, kann dies zu einem Notfall führen. Die Thermohydrodynamik von siedenden Lösungen und reinen Flüssigkeiten unterscheidet sich erheblich. Also für bestimmte Lösungen und Emulsionen kritisch. Wärmestromdichte abhängig

WÄRMEÜBERTRAGUNG BEIM SIEDEN UND KONDENSIEREN

KOCHENDE WÄRMEÜBERTRAGUNG

Sieden bezeichnet den Vorgang der intensiven Verdampfung, der im gesamten Volumen der Flüssigkeit auftritt, die sich auf Sättigungstemperatur befindet oder relativ zur Sättigungstemperatur etwas überhitzt ist, unter Bildung von Dampfblasen. Bei der Phasenumwandlung wird die Verdampfungswärme absorbiert. Der Siedevorgang ist üblicherweise mit der Zufuhr von Wärme zu der siedenden Flüssigkeit verbunden.

Arten des Siedens von Flüssigkeiten.

Unterscheiden Sie zwischen dem Sieden von Flüssigkeiten auf einer festen Wärmeaustauschfläche, der von außen Wärme zugeführt wird, und dem Sieden im Volumen einer Flüssigkeit.

Beim Kochen auf einer festen Oberfläche wird an einigen Stellen auf dieser Oberfläche die Bildung einer Dampfphase beobachtet. Beim volumetrischen Sieden entsteht die Dampfphase spontan (spontan) direkt in der Flüssigkeitsmasse in Form einzelner Dampfblasen. Das Massensieden kann nur auftreten, wenn die Überhitzung der flüssigen Phase relativ zur Sättigungstemperatur bei einem bestimmten Druck größer ist als das Sieden auf einer festen Oberfläche. Eine deutliche Überhitzung kann beispielsweise durch schnelles Druckentlasten des Systems erreicht werden. Massensieden kann stattfinden, wenn interne Wärmequellen in der Flüssigkeit vorhanden sind.

In der modernen Energietechnik und -technik sind üblicherweise Siedevorgänge an festen Heizflächen (Rohroberflächen, Kanalwände etc.) anzutreffen. Auf diese Art des Kochens wird im Folgenden hauptsächlich eingegangen.

Der Mechanismus der Wärmeübertragung beim Blasensieden unterscheidet sich vom Mechanismus der Wärmeübertragung bei der Konvektion einer einphasigen Flüssigkeit durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Übertragung der Stoffmasse und Wärme durch Dampfblasen von der Grenzschicht in das Volumen des Siedens Flüssigkeit. Dies führt zu einer hohen Intensität der Wärmeübertragung beim Sieden im Vergleich zur Konvektion einer einphasigen Flüssigkeit.

Damit der Siedevorgang eintritt, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: das Vorhandensein einer Überhitzung der Flüssigkeit relativ zur Sättigungstemperatur und das Vorhandensein von Verdampfungszentren.

Die Flüssigkeitsüberhitzung hat direkt an der beheizten Wärmetauscherfläche einen Maximalwert. Es enthält auch Verdampfungszentren in Form von Wandunregelmäßigkeiten, Luftblasen, Staubpartikeln usw. Daher erfolgt die Bildung von Dampfblasen direkt an der Wärmeaustauschfläche.

Abbildung 3.1 - Flüssigkeitssiedemodi in einem unbegrenzten Volumen: a) - Blase; b) - Übergangs; c) - Filme

Auf Abb. 3.1. zeigt schematisch die Siedearten einer Flüssigkeit in einem unbegrenzten Volumen. Bei Bubble-Modus siedet (Abb. 3.1, a), wenn die Temperatur der Heizfläche ansteigt tc und je nach Temperaturunterschied wächst die Zahl der aktiven Verdampfungszentren, der Siedevorgang wird immer intensiver. Dampfblasen lösen sich periodisch von der Oberfläche und nehmen an der freien Oberfläche aufschwimmend weiter an Volumen zu.

Mit zunehmender Temperaturdifferenz Δ t der Wärmestrom, der von der Heizfläche an die siedende Flüssigkeit abgeführt wird, nimmt deutlich zu. All diese Wärme wird letztendlich für die Dampfbildung aufgewendet. Daher hat die Wärmebilanzgleichung für das Sieden die Form:

wo Q- Wärmefluss, W; r- Wärme des Flüssigphasenübergangs, J/kg; G p- die Dampfmenge, die pro Zeiteinheit durch Sieden der Flüssigkeit erzeugt und von ihrer freien Oberfläche entfernt wird, kg/s.

Wärmefluss Q mit zunehmender Temperaturdifferenz Δ t wächst nicht unendlich. Für einen Wert Δ t er erreicht seinen Maximalwert (Abb. 3.2), und zwar bei einer weiteren Zunahme von Δ t beginnt zu sinken.

Abbildung 3.2 - Die Abhängigkeit der Wärmestromdichte q

aus der Temperaturdifferenz Δ t beim Kochen von Wasser in einem großen Volumen bei atmosphärischem Druck: 1- Erhitzen auf Sättigungstemperatur; 2 - Blasenmodus; 3 - Übergangsmodus; 4 - Filmmodus.

Geben Sie die Parzellen 1, 2, 3 und 4 an

Im Abschnitt 2 (Abb. 3.2) tritt Blasensieden auf, bis an dieser Stelle die maximale Wärmeabfuhr erreicht ist q kr1 , genannt die erste kritische Wärmestromdichte. Für Wasser bei atmosphärischem Druck ist die erste kritische Wärmestromdichte ≈ W/m 2 ; der entsprechende kritische Wert der Temperaturdifferenz W/m 2 . (Diese Werte beziehen sich auf die Bedingungen des Siedens von Wasser in freier Bewegung in einem großen Volumen. Für andere Bedingungen und andere Flüssigkeiten sind die Werte unterschiedlich).

Für größeres Δ t kommt Übergangsregelung kochen (Abb. 3.1, b). Es zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl auf der Heizfläche selbst als auch in deren Nähe die Blasen kontinuierlich miteinander verschmelzen und große Dampfhohlräume entstehen. Aus diesem Grund wird der Zugang von Flüssigkeit zur Oberfläche selbst allmählich immer schwieriger. An einigen Stellen der Oberfläche treten „trockene“ Stellen auf; ihre Zahl und Größe nimmt mit steigender Oberflächentemperatur kontinuierlich zu. Solche Abschnitte sind sozusagen vom Wärmeaustausch ausgeschlossen, da die Wärmeabfuhr direkt an den Dampf viel weniger intensiv erfolgt. Dies bestimmt die starke Abnahme des Wärmeflusses (Abschnitt 3 in Abb. 3.2) und des Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich des Übergangssiederegimes.

Schließlich wird bei einer bestimmten Temperaturdifferenz die gesamte Heizfläche mit einem durchgehenden Dampffilm bedeckt, der die Flüssigkeit von der Oberfläche wegdrückt. Ab jetzt gibt es Filmmodus kochen (Abb. 3.1, in). Die Wärmeübertragung von der Heizfläche auf die Flüssigkeit erfolgt dabei durch konvektiven Wärmeübergang und Strahlung durch den Dampffilm. Die Intensität der Wärmeübertragung beim Filmsieden ist eher gering (Abschnitt 4 in Abb. 3.2). Der Dampffilm erfährt Pulsationen; Dampf, der sich periodisch darin ansammelt, bricht in Form großer Blasen ab. Im Moment des Einsetzens des Filmsiedens ist die von der Oberfläche abgeführte Wärmelast und dementsprechend die entstehende Dampfmenge minimal. Dies entspricht Abb. 3,2 Punkt q kr2 , genannt die zweite kritische Wärmestromdichte. Bei Atmosphärendruck für Wasser ist der Moment des Beginns des Filmsiedens durch eine Temperaturdifferenz von ≈150 °C, also die Oberflächentemperatur, gekennzeichnet tc beträgt etwa 250°C. Mit zunehmender Temperaturdifferenz wird ein zunehmender Teil der Wärme durch Wärmeaustausch durch Strahlung übertragen.

Alle drei Siederegime können in umgekehrter Reihenfolge beobachtet werden, wenn beispielsweise ein rotglühendes massives Metallprodukt zum Abschrecken in Wasser getaucht wird. Wasser kocht, die Abkühlung des Körpers erfolgt zunächst relativ langsam (Filmsieden), dann steigt die Abkühlgeschwindigkeit schnell an (Übergangsmodus), das Wasser beginnt, die Oberfläche periodisch zu benetzen, und die höchste Abnahmerate der Oberflächentemperatur wird erreicht die letzte Stufe der Abkühlung (Blasensieden). In diesem Beispiel erfolgt das Sieden unter zeitlich instationären Bedingungen.

Auf Abb. 3.3 zeigt die Visualisierung von Blasen- und Filmsiedemodi an einem elektrisch beheizten Draht in Wasser.

Reis. 3.3 Visualisierung von Blasen- und Filmsiedemodi an einem elektrisch beheizten Draht: a) - Blasen- und b) - Filmsiedemodus.

In der Praxis treten auch häufig Zustände auf, bei denen der Oberfläche ein fester Wärmestrom zugeführt wird, d.h. q= konst. Typisch ist dies beispielsweise bei thermisch-elektrischen Erhitzern, Brennelementen von Kernreaktoren und näherungsweise bei Flächenheizungen aus Quellen mit sehr hoher Temperatur. Unter Bedingungen q= konstante Oberflächentemperatur tc und dementsprechend die Temperaturdifferenz Δ t hängen vom Siedezustand der Flüssigkeit ab. Es stellt sich heraus, dass unter solchen Bedingungen der Wärmeversorgung das transiente Regime nicht stationär existieren kann. Infolgedessen erhält der Siedeprozess eine Reihe wichtiger Merkmale. Mit einer allmählichen Erhöhung der Wärmelast q Temperaturdifferenz Δ t steigt entsprechend der Blasensiedelinie in Abb. 3.2, und der Prozess entwickelt sich auf die gleiche Weise wie oben beschrieben. Neue Verhältnisse ergeben sich, wenn die zugeführte Wärmestromdichte einen Wert erreicht, der der ersten kritischen Wärmestromdichte entspricht q cr1 . Nun, für jede geringfügige (auch versehentliche) Erhöhung des Werts q es besteht ein Überschuss zwischen der der Oberfläche zugeführten Wärmemenge und dieser maximalen Wärmebelastung q kr1 , das in eine siedende Flüssigkeit umgeleitet werden kann. Dieser Überschuss ( q-q kp1) bewirkt eine Erhöhung der Oberflächentemperatur, d. h. es beginnt eine instationäre Erwärmung des Wandmaterials. Die Entwicklung des Prozesses bekommt Krisencharakter. In Bruchteilen einer Sekunde steigt die Temperatur des Heizflächenmaterials um Hunderte von Grad an, und nur wenn die Wand ausreichend feuerfest ist, endet die Krise erfolgreich mit einem neuen stationären Zustand, der dem Filmsiedebereich bei einer sehr hohen Oberflächentemperatur entspricht . Auf Abb. 3.2 ist dieser Krisenübergang vom Blasen- zum Filmsieden bedingt durch einen Pfeil als „Sprung“ von der Blasensieden- zur Filmsiedenlinie bei gleicher Wärmebelastung dargestellt. q cr1 . Dies ist jedoch in der Regel mit einem Schmelzen und einer Zerstörung der Heizfläche (deren Ausbrennen) verbunden.

Das zweite Merkmal ist, dass, wenn eine Krise aufgetreten ist und das Filmsiederegime eingerichtet wurde (die Oberfläche ist nicht zusammengebrochen), das Filmsieden bei einer Abnahme der thermischen Belastung bestehen bleibt, d. H. Der umgekehrte Prozess wird nun entlang der auftreten Filmsiedelinie (Abb. 3.2). Erst beim Erreichen q kr2 beginnt die Flüssigkeit die Heizfläche periodisch an getrennten Punkten zu erreichen (benetzen). Die Wärmeabfuhr nimmt zu und übersteigt den Wärmeeintrag, wodurch es zu einer schnellen Abkühlung der Oberfläche kommt, die auch Krisencharakter hat. Es gibt einen schnellen Wechsel des Regimes und es stellt sich ein stationäres Blasensieden ein. Dieser umgekehrte Übergang (die zweite Krise) in Abb. 3.2 ist ebenfalls konventionell durch einen Pfeil als "Sprung" von der Filmsiedelinie zur Blasensiederlinie an gezeigt q = q cr2 .

Also unter Bedingungen eines festen Wertes der Wärmestromdichte q der Heizfläche zugeführt werden, sind beide Übergänge von Blase zu Film und umgekehrt krisenhafter Natur. Sie treten bei kritischen Wärmestromdichten auf q kr1 und q cr2 bzw. Unter diesen Bedingungen kann der Übergangssiedemodus nicht stationär existieren, er ist instabil.

In der Praxis werden Wärmeabfuhrverfahren weithin verwendet, wenn Flüssigkeiten gekocht werden, die sich in Rohren oder Kanälen verschiedener Formen bewegen. Dampferzeugungsprozesse werden also durch das Sieden von Wasser durchgeführt, das sich in den Kesselrohren bewegt. Wärme wird der Oberfläche der Rohre von den heißen Produkten der Brennstoffverbrennung aufgrund von Strahlungs- und Konvektionswärmeübertragung zugeführt.

Für den Siedevorgang einer Flüssigkeit, die sich in einem begrenzten Volumen eines Rohres (Kanals) bewegt, bleiben die oben beschriebenen Bedingungen gültig, aber gleichzeitig treten eine Reihe neuer Merkmale auf.

vertikales Rohr. Ein Rohr oder Kanal ist ein begrenztes System, in dem es während der Bewegung einer siedenden Flüssigkeit zu einer kontinuierlichen Zunahme der Dampfphase und einer Abnahme der flüssigen Phase kommt. Dementsprechend ändert sich die hydrodynamische Struktur der Strömung sowohl über die Länge als auch über den Querschnitt des Rohres. Dementsprechend ändert sich auch der Wärmeübergang.

Es gibt drei Hauptbereiche mit unterschiedlicher Struktur der Fluidströmung entlang der Länge des vertikalen Rohrs, wenn sich die Strömung von unten nach oben bewegt (Abb. 3.4): ich- Heizbereich (Economiserabschnitt, bis zum Rohrabschnitt, wo T c \u003d T n); II- Siedebereich (Verdampfungsabschnitt, von dem Abschnitt, wo T c \u003d T n, wenn<ich n, zum Abschnitt, wo T c \u003d T n, ich cm→ich n); III- der Bereich der Nassdampftrocknung.

Der Verdampfungsabschnitt umfasst Bereiche mit Oberflächensieden einer gesättigten Flüssigkeit.

Auf Abb. 3.4 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Stroms. Abschnitt 1 entspricht der Erwärmung einer einphasigen Flüssigkeit auf Sättigungstemperatur (Economizer-Abschnitt). Im Abschnitt 2 kommt es zum Oberflächen-Keimsieden, bei dem der Wärmeübergang gegenüber Abschnitt 2 zunimmt. Im Abschnitt 3 findet ein Emulsionsregime statt, bei dem eine Zweiphasenströmung aus einer Flüssigkeit und darin gleichmäßig verteilten relativ kleinen Bläschen besteht, die anschließend verschmelzen und große Blasen bilden - Stopfen, die dem Durchmesser des Rohrs entsprechen. Im Plug-Modus (Abschnitt 4) bewegt sich der Dampf in Form von separaten großen Blasen-Pfropfen, die durch Zwischenschichten der Dampf-Flüssigkeits-Emulsion getrennt sind. Ferner bewegt sich in Abschnitt 5 Nassdampf in einer kontinuierlichen Masse im Kern der Strömung und in einer dünnen ringförmigen Flüssigkeitsschicht nahe der Rohrwand. Die Dicke dieser Flüssigkeitsschicht nimmt allmählich ab. Dieser Abschnitt entspricht dem ringförmigen Siederegime, das endet, wenn die Flüssigkeit von der Wand verschwindet. In Abschnitt 6 erfolgt die Dampftrocknung (Erhöhung des Dampftrockengrades). Da der Siedevorgang abgeschlossen ist, nimmt die Wärmeübertragung ab. In Zukunft erhöht sich aufgrund einer Erhöhung des spezifischen Dampfvolumens die Dampfgeschwindigkeit, was zu einer gewissen Erhöhung der Wärmeübertragung führt.

Abb. 3.4 - Strömungsstruktur beim Sieden einer Flüssigkeit in einem senkrechten Rohr

Erhöhung der Umlaufgeschwindigkeit bei gegeben q mit, Rohrlänge und Eintrittstemperatur führt zu einer Abnahme der Bereiche mit entwickeltem Sieden und einer Zunahme der Länge des Economizer-Abschnitts; mit aufsteigender q mit bei einer gegebenen Geschwindigkeit hingegen nimmt die Länge der Abschnitte mit entwickeltem Sieden zu und die Länge des Economizer-Abschnitts ab.

Horizontale und geneigte Rohre. Wenn sich eine Zweiphasenströmung in horizontal oder leicht geneigt angeordneten Rohren bewegt, ändert sich nicht nur die Struktur der Strömung entlang der Länge, sondern auch die Struktur entlang des Umfangs des Rohrs erheblich. Wenn also die Zirkulationsrate und der Dampfgehalt in der Strömung klein sind, gibt es eine Schichtung der Zweiphasenströmung in die flüssige Phase, die sich im unteren Teil des Rohrs bewegt, und den Dampf, der sich im oberen Teil bewegt ( Abb. 3.5, a). Mit einer weiteren Erhöhung des Dampfgehalts und der Zirkulationsrate erhält die Grenzfläche zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphase Wellencharakter, und die Flüssigkeit benetzt den oberen Teil des Rohrs periodisch mit Wellenbergen. Bei weiterer Erhöhung des Dampfgehaltes und der Geschwindigkeit nimmt die Wellenbewegung an der Phasengrenze zu, was zu einem teilweisen Auswurf der Flüssigkeit in den Dampfbereich führt. Dadurch erhält die Zweiphasenströmung zunächst den Charakter einer Schwallströmung, dann einer Ringströmung.

Reis. 3.5 - Die Strömungsstruktur beim Sieden einer Flüssigkeit in einem horizontalen Rohr.

a– Schichtkochmodus; b– Stangenmodus; 1 - Dampf; 2 - Flüssigkeit.

Im Ringmodus wird die Bewegung einer dünnen Flüssigkeitsschicht entlang des gesamten Umfangs des Rohrs hergestellt, ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch bewegt sich im Kern der Strömung (Abb. 3.5, b). Aber auch in diesem Fall wird keine vollständige Achsensymmetrie in der Strömungsstruktur beobachtet.

Ist die Intensität der Wärmezufuhr zu den Rohrwänden hoch genug, kann der Siedevorgang auch bei Unterkühlung der Strömung im Rohr bis zur Sättigungstemperatur der Flüssigkeit eintreten.Ein solcher Vorgang tritt auf, wenn die Wandtemperatur tc Sättigungstemperatur überschreitet ts. es umschließt die Grenzschicht der Flüssigkeit direkt an der Wand. Dampfblasen, die in den kalten Kern der Strömung eintreten, kondensieren schnell. Diese Art des Kochens wird genannt Sieden mit Unterkühlung.

Die Wärmeabfuhr im Bubble-Sieding-Modus ist eine der fortschrittlichsten Methoden zur Kühlung der Heizfläche. Es findet breite Anwendung in technischen Geräten.

3.1.2. Wärmeübergang beim Blasensieden.

Beobachtungen zeigen, dass mit zunehmender Temperaturdifferenz Δ t = tc-t s, sowie Druck R auf der Heizfläche nimmt die Zahl der aktiven Verdampfungszentren zu. Dadurch entstehen immer mehr Blasen, die wachsen und sich von der Heizfläche lösen. Dadurch nehmen Turbulenz und Durchmischung der wandnahen Grenzschicht der Flüssigkeit zu. Während ihres Wachstums auf der Heizfläche nehmen die Blasen auch intensiv Wärme aus der Grenzschicht auf. All dies trägt zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei. Im Allgemeinen ist der Prozess des Keimkochens ziemlich chaotisch.

Untersuchungen zeigen, dass die Anzahl der Verdampfungszentren auf technischen Heizflächen von Material, Struktur und Mikrorauhigkeit der Oberfläche, dem Vorhandensein von Heterogenität der Oberflächenzusammensetzung und dem von der Oberfläche adsorbierten Gas (Luft) abhängt. Ein spürbarer Effekt wird durch verschiedene Überfälle, Oxidfilme sowie andere Einschlüsse ausgeübt.

Beobachtungen zeigen, dass die Verdampfungszentren unter realen Bedingungen normalerweise als einzelne Elemente der Oberflächenrauhigkeit und Mikrorauhigkeit (vorzugsweise verschiedene Vertiefungen und Vertiefungen) dienen.

Üblicherweise ist die Anzahl der Verdampfungszentren auf neuen Oberflächen höher als auf den gleichen Oberflächen nach längerem Kochen. Dies ist hauptsächlich auf das Vorhandensein von Gas zurückzuführen, das von der Oberfläche adsorbiert wird. Im Laufe der Zeit wird das Gas allmählich entfernt, es vermischt sich mit dem Dampf in den wachsenden Blasen und wird in den Dampfraum getragen. Der Kochvorgang und die Wärmeübertragung werden zeitlich und in der Intensität stabilisiert.

Die Bedingungen für die Bildung von Dampfblasen werden stark von der Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf beeinflusst.

Aufgrund der Oberflächenspannung steigt der Dampfdruck innerhalb der Blase R n über dem Druck der ihn umgebenden Flüssigkeit R und. Ihre Differenz wird durch die Laplace-Gleichung bestimmt

wobei σ die Oberflächenspannung ist; R ist der Radius der Blase.

Die Laplace-Gleichung drückt den Zustand des mechanischen Gleichgewichts aus. Es zeigt, dass die Oberflächenspannung wie eine elastische Hülle den Dampf in der Blase „komprimiert“, und zwar je stärker, desto kleiner ihr Radius. R.

Die Abhängigkeit des Dampfdrucks in einer Blase von ihrer Größe legt Merkmale für den Zustand des thermischen oder thermodynamischen Gleichgewichts kleiner Blasen fest. Der Dampf in der Blase und die Flüssigkeit auf ihrer Oberfläche sind im Gleichgewicht, wenn die Oberfläche der Flüssigkeit eine Temperatur hat, die gleich der Sättigungstemperatur beim Dampfdruck in der Blase ist, t s( R P). Diese Temperatur ist höher als die Sättigungstemperatur beim Außendruck in der Flüssigkeit t s( R und). Um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, muss daher die Flüssigkeit um die Blase herum um einen Betrag überhitzt werden t s( R P)- t s( R und).

Das nächste Merkmal ist, dass sich dieses Gleichgewicht herausstellt instabil. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit den Gleichgewichtswert leicht übersteigt, verdunstet ein Teil der Flüssigkeit in die Blasen und ihr Radius wird größer. In diesem Fall nimmt gemäß der Laplace-Gleichung der Dampfdruck in der Blase ab. Dies führt zu einer erneuten Abweichung vom Gleichgewichtszustand. Die Blase wird auf unbestimmte Zeit wachsen. Bei einer leichten Abnahme der Temperatur der Flüssigkeit kondensiert ein Teil des Dampfes, die Größe der Blase nimmt ab und der Dampfdruck darin steigt an. Dies bringt eine weitere Abweichung von den Gleichgewichtsbedingungen mit sich, nun in die andere Richtung. Dadurch kondensiert die Blase vollständig und verschwindet.

Folglich können in einer überhitzten Flüssigkeit nicht irgendwelche zufällig gebildeten kleinen Bläschen weiter wachsen, sondern nur solche, deren Radius den Wert überschreitet, der den oben betrachteten Bedingungen des instabilen mechanischen und thermischen Gleichgewichts entspricht. Das Mindestwert

wo die Ableitung eine physikalische Eigenschaft einer gegebenen Substanz ist, wird sie durch die Clapeyron-Clausis-Gleichung bestimmt

d.h. sie wird in Form anderer physikalischer Konstanten ausgedrückt: der Phasenübergangswärme r, Wasserdampfdichte p p und Flüssigkeiten w und absolute Sättigungstemperatur Ts.

Gleichung (3-2) zeigt, dass wenn Dampfkeime an bestimmten Stellen der Heizfläche auftreten, dann nur solche, deren Krümmungsradius den Wert überschreitet Rmin. Da mit zunehmendem Δ t Größe Rmin abnimmt, erklärt Gleichung (3-2).

die experimentell beobachtete Tatsache einer Zunahme der Anzahl von Verdampfungszentren mit einer Zunahme der Oberflächentemperatur.

Eine Zunahme der Anzahl der Verdampfungszentren bei steigendem Druck ist ebenfalls mit einer Abnahme verbunden Rmin, denn mit zunehmendem Druck steigt der Wert p wächst und σ sinkt. Berechnungen zeigen, dass für Wasser, das bei atmosphärischem Druck kocht, bei Δ t= 5°С Rmin= 6,7 um und bei Δ t= 25 °C Rmin= 1,3 um.

Beobachtungen, die mit Hochgeschwindigkeitsfilmen gemacht wurden, zeigen, dass bei einem festen Siederegime die Häufigkeit der Bildung von Dampfblasen sowohl an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche als auch zeitlich nicht gleich ist. Dies verleiht dem Kochvorgang einen komplexen statistischen Charakter. Dementsprechend sind auch die Wachstumsraten und Ablösegrößen verschiedener Blasen durch zufällige Abweichungen um einige Mittelwerte gekennzeichnet.

Nachdem die Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche. Abreißgröße wird hauptsächlich durch das Zusammenspiel von Schwerkraft, Oberflächenspannung und Trägheit bestimmt. Der letztere Wert ist eine dynamische Reaktion, die in einer Flüssigkeit aufgrund des schnellen Größenwachstums von Blasen auftritt. Typischerweise verhindert diese Kraft, dass Blasen abbrechen. Außerdem hängt die Art der Blasenbildung und -ablösung stark davon ab, ob die Flüssigkeit die Oberfläche benetzt oder nicht. Die Benetzungsfähigkeit einer Flüssigkeit wird durch den Kontaktwinkel θ charakterisiert, der zwischen der Wand und der freien Oberfläche der Flüssigkeit gebildet wird. Je größer θ ist, desto schlechter ist die Benetzungsfähigkeit der Flüssigkeit. Es wird allgemein angenommen, dass für θ<90° (рис. 3.6, a) benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche, bei θ >90° jedoch nicht. Der Wert des Kontaktwinkels hängt von der Art der Flüssigkeit, dem Material, der Beschaffenheit und der Sauberkeit der Oberfläche ab. Wenn die kochende Flüssigkeit die Heizfläche benetzt, haben die Dampfblasen einen dünnen Schenkel und lösen sich leicht von der Oberfläche (Abb. 3.7, a). Wenn die Flüssigkeit die Oberfläche nicht benetzt, haben die Dampfblasen einen breiten Schenkel (Abb. 3.7, b) und lösen sich entlang der Landenge ab, oder es kommt zu einer Verdampfung über die gesamte Oberfläche.

Typ