किसी द्रव को अधिक मात्रा में उबालने पर ऊष्मा का स्थानांतरण
उबलना आमतौर पर वाष्पीकरण की प्रक्रिया कहा जाता है, जो तरल की मोटाई में उबलते (संतृप्ति) तापमान पर होता है। इस मामले में, चरण संक्रमण की गर्मी अवशोषित होती है, जिसके परिणामस्वरूप, प्रक्रिया को बनाए रखने के लिए, लगातार गर्मी की आपूर्ति करना बेहद जरूरी है, .ᴇ। उबलना गर्मी हस्तांतरण के साथ जुड़ा हुआ है। उबालते समय, वाष्प चरण बुलबुले के रूप में बनता है। एक गर्म गैर-उबलते तरल में, मजबूर प्रवाह की अनुपस्थिति में, मुक्त संवहन और गर्मी चालन द्वारा सीमा परत के माध्यम से गर्मी को स्थानांतरित किया जाता है। उबलने के दौरान, पदार्थ के द्रव्यमान और ऊष्मा का सीमा परत से तरल आयतन में स्थानांतरण भी वाष्प के बुलबुले द्वारा किया जाता है, जो ऊपर उठने पर, तरल के तीव्र मिश्रण और सीमा परत की अशांति का कारण बनता है। चूंकि गर्मी आमतौर पर होती है गर्मी विनिमय सतह के माध्यम से आपूर्ति की जाती है, इस सतह पर बुलबुले भी दिखाई देते हैं। यदि सतह को तरल की एक बड़ी मात्रा में डुबोया जाता है, जिसकी मजबूर गति अनुपस्थित है, तो ऐसी प्रक्रिया को बड़ी मात्रा में उबालना कहा जाता है। थर्मल पावर इंजीनियरिंग में, उबलने की प्रक्रिया सबसे अधिक बार हीटिंग सतह (पाइप सतहों, बॉयलर की दीवारों, आदि) पर सामने आती है।
उबलते मोड।दो क्वथनांक व्यवस्थाएं हैं: एक बुलबुला शासन, जब अलग-अलग समय-समय पर उभरते बुलबुले के रूप में सतह पर भाप बनती है, और एक फिल्म उबलते शासन, जब सतह के पास बुलबुले की संख्या इतनी बड़ी हो जाती है कि वे एक ही वाष्प में विलीन हो जाते हैं फिल्म, जिसके माध्यम से गर्म सतह से गर्मी को तापीय चालकता द्वारा तरल की मात्रा में स्थानांतरित किया जाता है। चूंकि भाप की तापीय चालकता का गुणांक पानी की तुलना में लगभग 30 गुना कम है, वाष्प फिल्म के माध्यम से तापीय चालकता का तापीय प्रतिरोध तेजी से बढ़ता है, जिससे गर्मी विनिमय सतह का जलना हो सकता है। इस कारण ताप विद्युत संयंत्रों में इस विधा की अनुमति नहीं है।
उबलने की प्रक्रिया होने के लिए आवश्यक शर्तें. उबलने की घटना के लिए, दो स्थितियां अत्यंत महत्वपूर्ण और पर्याप्त हैं: तरल दबाव पर संतृप्ति तापमान के सापेक्ष तरल के अधिक गर्म होने की उपस्थिति और वाष्पीकरण के केंद्रों की उपस्थिति, जो तरल (ठोस कण और गैस) में विभिन्न समावेशन हो सकते हैं। बुलबुले), साथ ही गर्मी विनिमय सतह पर अवसाद और अवसाद, जो खुरदरापन से संबंधित है।
यह इस आंकड़े से पता चलता है कि हीट एक्सचेंज सतह पर सबसे बड़ी ओवरहीटिंग () देखी जाती है, लेकिन खुरदरापन के रूप में वाष्पीकरण के केंद्र भी होते हैं। यह बताता है कि बुलबुले गर्मी विनिमय सतह पर क्यों बनते हैं।
बुलबुले के विकास के लिए, .ᴇ. इसमें बुलबुले की सतह से तरल के वाष्पीकरण के कारण मात्रा में वृद्धि होती है, इसमें वाष्प का दबाव आसपास के तरल और सतह तनाव के बल के दबाव से अधिक होना चाहिए।
दबाव और संतृप्ति तापमान निकटता से संबंधित हैं: दबाव जितना अधिक होगा, संतृप्ति तापमान उतना ही अधिक होगा। इससे यह स्पष्ट हो जाता है कि उबलने (वाष्प के बुलबुले के गठन) की स्थिति में से एक तरल का अधिक गरम होना क्यों है। बुलबुले का आयतन तब तक बढ़ता है जब तक कि इसे फाड़ने के लिए उठाने वाला बल सतह पर इसे धारण करने वाले बलों से अधिक न हो जाए। इसके पृथक्करण के समय बुलबुले का आकार पृथक्करण व्यास की विशेषता है। अलग बुलबुला ऊपर की ओर बढ़ता है, मात्रा में वृद्धि जारी रखता है। तरल-वाष्प इंटरफेस में, बुलबुला फट जाता है।
चूंकि बुलबुले गर्मी विनिमय सतह पर उठते हैं, बढ़ते हैं और अलग हो जाते हैं, इसलिए वे सीमा परत को नष्ट कर देते हैं, जो कि मुख्य थर्मल प्रतिरोध है। इस कारण से, उबालने के दौरान गर्मी हस्तांतरण एक अत्यधिक गहन प्रक्रिया है। पानी के लिए, उदाहरण के लिए, गुणांक (10 ... 40) 10 3 डब्ल्यू / (एम 2 × के) तक पहुंचता है।
उबलने की प्रक्रिया के दौरान, हीट एक्सचेंज सतह आंशिक रूप से वाष्प चरण के साथ, आंशिक रूप से तरल चरण के साथ संपर्क करती है। लेकिन
निम्नलिखित उबलते क्षेत्रों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है। कम तापमान अंतर पर, गर्मी हस्तांतरण मुख्य रूप से मुक्त संवहन की स्थितियों से निर्धारित होता है, क्योंकि बुलबुले बनाने की संख्या कम होती है और वे सीमा परत को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करते हैं - संवहनी उबलते क्षेत्र I. इस क्षेत्र में, गर्मी हस्तांतरण गुणांक के समानुपाती होता है। तरल के सुपरहिटिंग में वृद्धि के साथ, कभी भी छोटा खुरदरापन वाष्पीकरण के केंद्रों के रूप में काम कर सकता है, और इससे उनकी संख्या में वृद्धि होती है, और इसके अलावा, वाष्पीकरण के प्रत्येक केंद्र में बुलबुला पृथक्करण की आवृत्ति बढ़ जाती है। यह सीमा परत में परिसंचरण में वृद्धि का कारण बनता है, जिसके परिणामस्वरूप गर्मी हस्तांतरण तेजी से बढ़ता है। एक विकसित बुलबुला उबलने का शासन (क्षेत्र II) में सेट होता है। आनुपातिक।
तापमान अंतर () में और वृद्धि के साथ, बुलबुले की संख्या इतनी बड़ी हो जाती है कि वे विलीन होने लगते हैं, जिससे सतह का बड़ा हिस्सा वाष्प चरण के संपर्क में आ जाएगा, जिसकी तापीय चालकता उससे कम है तरल पदार्थों का। इस कारण से, गर्मी हस्तांतरण, अधिकतम तक पहुंचने के बाद, एक निरंतर वाष्प फिल्म बनने तक (संक्रमण मोड III) कम होना शुरू हो जाएगा जो तरल को हीटिंग सतह से अलग करता है। उबलने की इस विधा को आमतौर पर फिल्म (क्षेत्र IV) कहा जाता है। बाद के मामले में, गुणांक व्यावहारिक रूप से स्वतंत्र है।
आंकड़ा गर्मी प्रवाह घनत्व पर गर्मी हस्तांतरण गुणांक की प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त निर्भरता को दर्शाता है
जब मुक्त संवहन की स्थिति में पानी बड़ी मात्रा में उबलता है।
यह आंकड़ा से निम्नानुसार है कि गर्मी प्रवाह घनत्व में वृद्धि के साथ, गर्मी हस्तांतरण गुणांक बढ़ता है (अनुभाग ओ - ए)। यह खंड बुलबुला उबलते शासन से मेल खाता है। पहुँचने पर
गर्मी प्रवाह घनत्व \u003d डब्ल्यू / एम 2, गर्मी हस्तांतरण गुणांक तेजी से घटता है (लाइन ए - डी) - बबल मोड को एक फिल्म द्वारा बदल दिया जाता है। धारा डी-डी फिल्म शासन से मेल खाती है। फिल्म में उबलने के बबल मोड के संक्रमण की घटना को कहा जाता है
1. उबलने की प्रक्रिया के बारे में सामान्य विचार। उबालना तरल की मात्रा के भीतर वाष्प के निर्माण की प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया की शर्तें अजीब और जटिल हैं।
उबलने की घटना के लिए, तरल का कुछ अति ताप हमेशा आवश्यक होता है, अर्थात, दिए गए दबाव p पर संतृप्ति तापमान के सापेक्ष तरल के तापमान का अधिक होना। यह अति ताप, जैसा कि प्रयोग दिखाते हैं, तरल के भौतिक गुणों, इसकी शुद्धता, दबाव और सीमा ठोस सतहों के गुणों पर भी निर्भर करता है। तरल जितना शुद्ध होगा, उबलने के लिए आवश्यक प्रारंभिक सुपरहीट उतनी ही अधिक होगी। ऐसे प्रयोग ज्ञात हैं जिनमें सावधानीपूर्वक शुद्ध किए गए तरल पदार्थ, भंग गैसों से रहित, सामान्य दबाव में दसियों डिग्री तक उबाले बिना सुपरहिट किए जा सकते हैं। हालांकि, अंत में, इस तरह के एक सुपरहीटेड तरल अभी भी उबलता है, और उबलना बेहद हिंसक रूप से होता है, एक विस्फोट जैसा दिखता है। तरल के सुपरहिटिंग की गर्मी वाष्पीकरण पर खर्च की जाती है, तरल तेजी से संतृप्ति तापमान तक ठंडा हो जाता है। एक शुद्ध तरल के उबलने के लिए आवश्यक उच्च प्रारंभिक सुपरहीट को तरल में अणुओं के पारस्परिक आकर्षण की महत्वपूर्ण ऊर्जा के कारण तरल के अंदर प्रारंभिक छोटे वाष्प बुलबुले (नाभिक) के सहज गठन की कठिनाई से समझाया जाता है।
स्थिति अलग होती है जब तरल में एक भंग गैस (उदाहरण के लिए, वायु), साथ ही साथ सबसे छोटे निलंबित कण होते हैं। जब इसे गर्म किया जाता है, तो तरल के संतृप्ति तापमान तक पहुंचने के लगभग तुरंत बाद उबलने की प्रक्रिया शुरू हो जाती है। इस मामले में, उबाल शांत है। इस मामले में, हीटिंग के दौरान बनने वाले गैस के बुलबुले, साथ ही तरल में ठोस कण, वाष्प चरण के तैयार प्रारंभिक नाभिक के रूप में काम करते हैं।
प्रारंभिक ओवरहीटिंग तब भी कम हो जाती है जब बर्तन की दीवारें जिसमें तरल को गर्म किया जाता है, सतह पर गैस सोख ली जाती है, सूक्ष्मता, और विभिन्न विषमताएं और समावेशन जो सतह पर तरल के आणविक आसंजन को कम करते हैं। जब इस तरह की सतह के माध्यम से गर्मी की आपूर्ति की जाती है, तो बुलबुले का गठन सतह पर अलग-अलग बिंदुओं पर देखा जाता है, तथाकथित वाष्पीकरण केंद्र।
इस प्रकार, इस मामले में उबलने की प्रक्रिया तरल परतों में शुरू होती है जो सतह के संपर्क में होती हैं और इसके साथ समान तापमान होता है। अभ्यास के लिए, इस प्रकार का उबालना सबसे बड़ा हित है। इसकी मुख्य विशेषताओं पर विचार करें।
जैसे ही हीटिंग सतह का तापमान और, तदनुसार, तापमान अंतर बढ़ता है, वाष्पीकरण के सक्रिय केंद्रों की संख्या बढ़ जाती है, उबलने की प्रक्रिया अधिक से अधिक तीव्र हो जाती है।
वाष्प के बुलबुले समय-समय पर सतह से अलग हो जाते हैं और मुक्त सतह पर तैरते हुए मात्रा में बढ़ते रहते हैं। उत्तरार्द्ध को इस तथ्य से समझाया गया है कि उबलते तरल की मात्रा में तापमान, जैसा कि प्रयोगात्मक डेटा दिखाता है, संतृप्ति तापमान के बराबर नहीं है, लेकिन कुछ हद तक अधिक है। उदाहरण के लिए, वायुमंडलीय दबाव पर पानी के लिए, मात्रा में अति ताप 0.2-0.4 डिग्री सेल्सियस (चित्र। 4-1) है।
चावल। 4-1. उबलते तरल की मात्रा में तापमान वितरण।
अंजीर पर। 4-2, एक योजनाबद्ध रूप से तरल उबलने के बुलबुला मोड की तस्वीर दिखाता है। तापमान अंतर में वृद्धि के साथ, गर्मी प्रवाह, जो हीटिंग सतह से उबलते तरल में हटा दिया जाता है, काफी बढ़ जाता है। यह सारी गर्मी अंततः भाप के निर्माण पर खर्च होती है। इसलिए, उबलने के लिए ऊष्मा संतुलन समीकरण का रूप है:
जहां क्यू - गर्मी प्रवाह, डब्ल्यू; तरल के चरण संक्रमण की गर्मी है, तरल के उबलने के परिणामस्वरूप प्रति यूनिट समय में उत्पन्न भाप की मात्रा है और इसकी मुक्त सतह, किग्रा / एस से हटा दी जाती है।
तापमान अंतर में वृद्धि के साथ गर्मी प्रवाह क्यू असीमित रूप से नहीं बढ़ता है। एक निश्चित मूल्य पर, यह अधिकतम मूल्य तक पहुँच जाता है, और आगे बढ़ने के साथ, यह घटने लगता है। जब तक अधिकतम ऊष्मा प्रवाह नहीं हो जाता, तब तक क्वथनांक मोड को चुलबुली कहा जाता है। न्यूक्लियेट उबलने के दौरान अधिकतम ऊष्मा भार को पहला महत्वपूर्ण ऊष्मा प्रवाह घनत्व कहा जाता है और इसे द्वारा निरूपित किया जाता है।
वायुमंडलीय दबाव पर पानी के लिए, पहला महत्वपूर्ण ताप प्रवाह संबंधित महत्वपूर्ण तापमान अंतर है। (ये मान बड़ी मात्रा में मुक्त संचलन के दौरान उबलते पानी की स्थितियों को संदर्भित करते हैं। अन्य स्थितियों और अन्य तरल पदार्थों के लिए, मान भिन्न होते हैं)।
उच्च मूल्यों पर, दूसरा, संक्रमणकालीन क्वथनांक शासन होता है (चित्र 4-2, बी)। यह इस तथ्य की विशेषता है कि, दोनों ही हीटिंग सतह पर और उसके पास, बुलबुले लगातार एक दूसरे के साथ विलीन हो जाते हैं, बड़े वाष्प गुहा बनते हैं। इस वजह से, सतह पर तरल की पहुंच धीरे-धीरे अधिक से अधिक कठिन होती जा रही है। सतह पर कुछ स्थानों पर "सूखे" धब्बे दिखाई देते हैं; जैसे-जैसे सतह का तापमान बढ़ता है, उनकी संख्या और आकार लगातार बढ़ता जाता है। इस तरह के वर्गों को, जैसा कि यह था, हीट एक्सचेंज से बाहर रखा गया है, क्योंकि गर्मी को सीधे भाप में निकालना बहुत कम तीव्रता से होता है। यह संक्रमणकालीन उबलते शासन के क्षेत्र में गर्मी प्रवाह और गर्मी हस्तांतरण गुणांक में तेज कमी को निर्धारित करता है।
अंत में, एक निश्चित तापमान अंतर पर, पूरी हीटिंग सतह वाष्प की एक सतत फिल्म में ढकी हुई है, जो तरल को सतह से दूर धकेलती है। इस प्रकार तीसरा, फिल्म क्वथनांक शासन स्थापित होता है (चित्र 4-2, सी)। हीटिंग सतह से तरल में फिल्म क्वथनांक में गर्मी हस्तांतरण संवहनी गर्मी हस्तांतरण और वाष्प फिल्म के माध्यम से विकिरण द्वारा किया जाता है। जैसे-जैसे तापमान का अंतर बढ़ता है, अधिक से अधिक ऊष्मा विकिरण द्वारा स्थानांतरित होती है। फिल्म क्वथनांक मोड में गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता काफी कम है। वाष्प फिल्म स्पंदन का अनुभव करती है; भाप, समय-समय पर इसमें जमा होकर, बड़े बुलबुले के रूप में टूट जाती है। फिल्म उबलने की शुरुआत के समय, सतह से गर्मी का भार हटा दिया जाता है और तदनुसार, बनने वाली भाप की मात्रा न्यूनतम होती है। फिल्म उबलने के दौरान ऊष्मा भार के न्यूनतम मूल्य को दूसरा महत्वपूर्ण ऊष्मा प्रवाह घनत्व कहा जाता है तकनीकी धातु की सतहों पर पानी के उबलने के लिए वायुमंडलीय दबाव में, फिल्म के उबलने के क्षण को तापमान अंतर की विशेषता होती है, अर्थात। सतह का तापमान लगभग 250 डिग्री सेल्सियस है।
इस प्रकार, जब कोई तरल गर्म सतह पर उबलता है, तो तापमान के अंतर के आधार पर, तीन अलग-अलग क्वथनांक देखे जा सकते हैं। तापमान के अंतर में वृद्धि के साथ उबलते तरल में परिवर्तित होने वाले ऊष्मा प्रवाह के घनत्व में परिवर्तन की सामान्य तस्वीर अंजीर में लघुगणकीय निर्देशांक में दिखाई गई है। 4-3. यह ग्राफ वायुमंडलीय दबाव पर पानी को उबालने की प्रक्रिया को दर्शाता है। धातु की हीटिंग सतहों पर बड़ी मात्रा में मुक्त गति की स्थितियों के तहत उबलने वाले अन्य तरल पदार्थों के लिए q की निर्भरता में समान चरित्र होता है: पाइप, स्टोव, आदि।
सभी तीन उबलते शासनों को उल्टे क्रम में देखा जा सकता है, उदाहरण के लिए, एक लाल-गर्म बड़े पैमाने पर धातु उत्पाद को शमन के लिए पानी में उतारा जाता है। पानी उबलता है, पहले शरीर की शीतलन अपेक्षाकृत धीमी गति से होती है (फिल्म उबलती है), फिर शीतलन दर तेजी से बढ़ती है (संक्रमणकालीन शासन), पानी समय-समय पर सतह को गीला करना शुरू कर देता है, और सतह के तापमान में कमी की उच्चतम दर प्राप्त की जाती है शीतलन का अंतिम चरण (बुलबुला उबलना)। इस उदाहरण में, उबलते समय गैर-स्थिर परिस्थितियों में आगे बढ़ता है।
क्षणिक मोड में स्थिर उबलने को व्यवहार में देखा जा सकता है जब हीटिंग सतह का तापमान अपरिवर्तित रहता है क्योंकि इस सतह के बाहर से एक अन्य शीतलक के साथ उच्च तापमान और एक महत्वपूर्ण गर्मी हस्तांतरण दर के संपर्क के कारण। इस तरह की गर्मी आपूर्ति की स्थिति को संक्षेप में हीटिंग की स्थिति के रूप में वर्णित किया जा सकता है। व्यवहार में, हालांकि, अक्सर ऐसी स्थितियों का भी सामना करना पड़ता है जब सतह पर एक निश्चित ऊष्मा प्रवाह की आपूर्ति की जाती है, अर्थात, q = स्थिरांक। यह विशिष्ट है, उदाहरण के लिए, विद्युत सतह हीटिंग के लिए, परमाणु रिएक्टर में परमाणु प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप गर्मी रिलीज के कारण हीटिंग के लिए, और लगभग उच्च तापमान वाले स्रोतों से उज्ज्वल सतह हीटिंग के मामले में। शर्तों के तहत q = स्थिरांक, सतह का तापमान और, तदनुसार, तापमान अंतर तरल उबलने के तरीके पर निर्भर करता है। यह पता चला है कि गर्मी की आपूर्ति की ऐसी स्थितियों में, क्षणिक शासन स्थिर नहीं रह सकता है। नतीजतन, उबलने की प्रक्रिया नई विशिष्ट विशेषताएं प्राप्त करती है जो बहुत व्यावहारिक महत्व की हैं। आइए उन पर अधिक विस्तार से विचार करें। इसके लिए हम फिर से चित्र की ओर मुड़ते हैं। 4-3. ताप भार q में क्रमिक वृद्धि के साथ, अंजीर में बुलबुला उबलते शासन की रेखा के अनुसार तापमान का अंतर बढ़ जाता है। 4-3, और प्रक्रिया उसी तरह विकसित होती है जैसे ऊपर वर्णित है। नई स्थितियां तब उत्पन्न होती हैं जब आपूर्ति की गई गर्मी प्रवाह घनत्व पहले महत्वपूर्ण गर्मी प्रवाह घनत्व से मेल खाने वाले मान तक पहुंच जाती है। अब, q में किसी भी मामूली (यहां तक कि आकस्मिक) वृद्धि के साथ, सतह पर आपूर्ति की जाने वाली गर्मी की मात्रा और उबलते तरल को अधिकतम गर्मी भार को हटाया जा सकता है। यह अतिरिक्त सतह के तापमान में वृद्धि का कारण बनता है, यानी दीवार सामग्री का गैर-स्थिर ताप शुरू होता है। सतह के तापमान की तुलना में अधिक हो जाता है, सतह पर एक संक्रमणकालीन क्वथनांक स्थापित होता है, और गर्मी हटाने में कमी आने लगती है। नतीजतन, आपूर्ति और हटाई गई गर्मी की मात्रा के बीच का अंतर समय के साथ तेजी से बढ़ता है।
तदनुसार, सतह हीटिंग दर बढ़ जाती है। प्रक्रिया का विकास एक संकट चरित्र प्राप्त करता है। एक सेकंड के एक अंश में, हीटिंग सतह सामग्री का तापमान सैकड़ों डिग्री बढ़ जाता है, और केवल अगर दीवार पर्याप्त रूप से दुर्दम्य है, तो संकट एक बहुत ही उच्च सतह के तापमान पर फिल्म उबलते क्षेत्र के अनुरूप एक नई स्थिर स्थिति के साथ सफलतापूर्वक समाप्त होता है। . अंजीर पर। 4-3, न्यूक्लियेट से फिल्म क्वथनांक में यह संकट संक्रमण सशर्त रूप से एक तीर द्वारा न्यूक्लियेट क्वथनांक से फिल्म क्वथनांक तक एक ही गर्मी भार पर "कूद" के रूप में दिखाया गया है। हालांकि, एक संकट आमतौर पर हीटिंग सतह (इसके जलने) के पिघलने और विनाश के साथ होता है।
दूसरी विशेषता यह है कि यदि कोई संकट उत्पन्न हो गया है और फिल्म उबलने की व्यवस्था स्थापित हो गई है (सतह ढह नहीं गई है), तो थर्मल लोड में कमी के साथ, फिल्म उबलती रहेगी, यानी, रिवर्स प्रक्रिया अब साथ होगी फिल्म क्वथनांक रेखा (चित्र 4-3)। केवल जब यह तरल तक पहुंचता है तो समय-समय पर अलग-अलग बिंदुओं पर हीटिंग सतह तक (गीला) पहुंचना शुरू हो जाता है। गर्मी हटाने में वृद्धि होती है और गर्मी इनपुट से अधिक हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप सतह का तेजी से ठंडा होना होता है, जिसमें एक संकट चरित्र भी होता है। व्यवस्थाओं का तेजी से परिवर्तन होता है, और स्थिर न्यूक्लियेट क्वथनांक स्थापित होता है। यह उल्टा संक्रमण (दूसरा संकट) अंजीर में। 4-3 को भी प्रतीकात्मक रूप से एक तीर द्वारा फिल्म क्वथनांक से न्यूक्लियेट क्वथनांक पर "कूद" के रूप में दिखाया गया है
इस प्रकार, ताप प्रवाह घनत्व q के एक निश्चित मूल्य की शर्तों के तहत हीटिंग सतह को आपूर्ति की जाती है, बुलबुले से फिल्म और पीछे दोनों संक्रमण एक संकट प्रकृति के होते हैं। वे क्रमशः महत्वपूर्ण ताप प्रवाह घनत्व पर होते हैं। इन शर्तों के तहत, उबलने की संक्रमण विधि स्थिर नहीं रह सकती है, यह अस्थिर है।
बबल बॉयलिंग मोड में हीट रिमूवल हीटिंग सतह को ठंडा करने के सबसे उन्नत तरीकों में से एक है। यह व्यापक रूप से परमाणु रिएक्टरों में, जेट इंजनों को ठंडा करने के लिए, और कई अन्य तकनीकी उपकरणों में भी उपयोग किया जाता है।
व्यवहार में, गर्मी हटाने के तरीकों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है जब तरल को पाइप या विभिन्न आकृतियों के चैनलों के अंदर उबाला जाता है। तो, आधुनिक ताप विद्युत संयंत्रों में भाप उत्पादन की प्रक्रिया बॉयलर पाइप के अंदर उच्च दबाव में पानी के उबलने के कारण होती है। विकिरण और संवहनी गर्मी हस्तांतरण के कारण ईंधन के दहन के गर्म उत्पादों से पाइप की सतह पर गर्मी की आपूर्ति की जाती है।
किसी पाइप (चैनल) के सीमित आयतन के अंदर तरल के उबलने की प्रक्रिया के लिए, ऊपर वर्णित शर्तें मान्य रहती हैं, लेकिन इसके साथ ही कई नई विशेषताएं दिखाई देती हैं।
प्रक्रिया का विकास तरल या भाप-पानी के मिश्रण के मजबूर आंदोलन की गति से प्रभावित हो सकता है। इसके अलावा, दो-चरण प्रवाह की संरचना (चैनल के अंदर वाष्प और तरल चरणों के वितरण की प्रकृति) भी उबलने की प्रक्रिया के विकास और उबलते संकट के उद्भव के लिए महत्वपूर्ण है। अंजीर पर। आंकड़े 4-4 पाइपों में भाप-पानी के मिश्रण की विशिष्ट प्रवाह व्यवस्थाओं को दर्शाते हैं। भाप की सामग्री, मिश्रण के वेग, पाइप के व्यास और अंतरिक्ष में इसके स्थान के आधार पर, गति की प्रकृति भिन्न होती है: एक सजातीय पायस के रूप में (चित्र 4-4, ए) ), पानी और भाप के दो स्वतंत्र प्रवाह के रूप में (चित्र 4-4, बी, ई)। कुछ मामलों में, इस मामले में, पानी एक फिल्म के रूप में दीवार के पास परिधि के साथ चलता है, और पाइप के मध्य भाग में भाप (चित्र 4-4, बी), दूसरों में, एक अलग आंदोलन प्राप्त होता है। - एक में तरल, और पाइप के दूसरे हिस्से में भाप (चित्र। 4-4, ई)। मिश्रण का बुलबुला प्रवाह शासन (चित्र 4-4, सी, डी) पाइप के ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज पदों के लिए अलग है।
उबलने की प्रक्रिया तब भी हो सकती है जब पाइप की दीवारों को गर्मी की आपूर्ति की तीव्रता पर्याप्त रूप से अधिक हो, तो एक पाइप में संतृप्ति तापमान के लिए एक तरल उप-ठंडा हो जाता है। ऐसी प्रक्रिया तब होती है जब दीवार का तापमान संतृप्ति तापमान से अधिक हो जाता है, यह दीवार के पास तरल की सीमा परत को कवर करता है (चित्र 4-5)। प्रवाह के ठंडे केंद्र में प्रवेश करने वाले वाष्प के बुलबुले जल्दी से संघनित हो जाते हैं। इस प्रकार के उबलने को सबकूलिंग बॉयलिंग कहा जाता है।
चावल। 4-5. सबकूलिंग के साथ उबलने की प्रक्रिया।
2. न्यूक्लियेट उबलने के दौरान हीट ट्रांसफर। टिप्पणियों से पता चलता है कि तापमान अंतर में वृद्धि के साथ-साथ हीटिंग सतह पर दबाव पी के साथ, वाष्पीकरण के सक्रिय केंद्रों की संख्या बढ़ जाती है। नतीजतन, बुलबुले की बढ़ती संख्या लगातार बढ़ती है, बढ़ती है और हीटिंग सतह से अलग हो जाती है। नतीजतन, तरल की निकट-दीवार सीमा परत की अशांति और मिश्रण बढ़ जाता है। हीटिंग सतह पर उनके विकास की प्रक्रिया में, बुलबुले भी तीव्रता से सीमा परत से गर्मी लेते हैं। यह सब गर्मी हस्तांतरण के सुधार में योगदान देता है। सामान्य तौर पर, न्यूक्लियेट उबलने की प्रक्रिया बल्कि अराजक होती है।
अध्ययनों से पता चलता है कि तकनीकी हीटिंग सतहों पर वाष्पीकरण केंद्रों की संख्या सतह की सामग्री, संरचना और सूक्ष्मता पर निर्भर करती है, सतह संरचना की विविधता की उपस्थिति और सतह द्वारा अवशोषित गैस (वायु) पर निर्भर करती है।
विभिन्न जमाओं, ऑक्साइड फिल्मों, साथ ही साथ किसी भी अन्य समावेशन द्वारा एक ध्यान देने योग्य प्रभाव डाला जाता है, जिससे आसंजन कार्य में कमी आती है। आसंजन के कार्य को उस कार्य के रूप में समझा जाता है जिसे प्रति इकाई क्षेत्र में एक ठोस सतह से एक तरल को अलग करने के लिए खर्च किया जाना चाहिए। यह मान सतह पर तरल के आणविक आसंजन के माप की विशेषता है और गीला होने की घटना से जुड़ा है। तरल सतह के किसी दिए गए क्षेत्र को जितना बेहतर गीला करता है, आसंजन का कार्य उतना ही अधिक होता है। टिप्पणियों से पता चलता है कि वास्तविक परिस्थितियों में, वाष्पीकरण के केंद्र आमतौर पर सतह खुरदरापन और सूक्ष्मता (अधिमानतः विभिन्न अवसाद और अवसाद) के व्यक्तिगत तत्व होते हैं, और सबसे पहले, जाहिरा तौर पर, जिनके लिए आसंजन का काम कम से कम महत्व का होता है।
आमतौर पर, नई सतहों पर वाष्पीकरण केंद्रों की संख्या लंबे समय तक उबालने के बाद समान सतहों की तुलना में अधिक होती है। यह मुख्य रूप से सतह द्वारा अधिशोषित गैस की उपस्थिति के कारण होता है। समय के साथ, गैस धीरे-धीरे हटा दी जाती है, यह बढ़ते बुलबुले में भाप के साथ मिल जाती है, और भाप की जगह में ले जाया जाता है। उबलने की प्रक्रिया और गर्मी हस्तांतरण एक समय-स्थिर प्रकृति और तीव्रता पर होता है।
वाष्प बुलबुले के गठन की स्थितियां तरल और वाष्प के बीच इंटरफेस पर सतह तनाव से बहुत प्रभावित होती हैं।
याद रखें कि पृष्ठ तनाव वह बल है जिसके तहत एक तरल की मुक्त सतह सिकुड़ती है; यह बल सतह पर स्पर्शरेखा रूप से कार्य करता है। सतह तनाव की इकाई तरल की सतह पर एक मनमानी रेखा की प्रति इकाई लंबाई बल है। यह मान निर्दिष्ट है और किसी दिए गए पदार्थ की एक भौतिक विशेषता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, मान घटता जाता है और महत्वपूर्ण तापमान पर यह शून्य के बराबर हो जाता है।
तापमान के साथ सतही तनाव में परिवर्तन बाचिंस्की सूत्र द्वारा निर्धारित किया जा सकता है
तरल का घनत्व कहाँ है; - संतृप्ति तापमान पर वाष्प घनत्व; सी - आनुपातिकता का गुणांक।
20 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, पानी का सतह तनाव 0.068, बेंजीन 0.0288, एथिल अल्कोहल 0.0222 और पारा 0.47 एन / एम है।
पृष्ठ तनाव के कारण, बुलबुले के अंदर वाष्प का दबाव उसके आसपास के तरल के दबाव से अधिक होता है। उनका अंतर लाप्लास समीकरण द्वारा निर्धारित किया जाता है
सतह तनाव कहाँ है; R बुलबुले की त्रिज्या है (सामान्य स्थिति में, तरल और वाष्प के बीच इंटरफेस की वक्रता की औसत त्रिज्या)।
लाप्लास का समीकरण यांत्रिक संतुलन की स्थिति को व्यक्त करता है। यह दर्शाता है कि सतह तनाव, एक लोचदार खोल की तरह, बुलबुले में वाष्प को "संपीड़ित" करता है, और जितना मजबूत होता है, उसका त्रिज्या उतना ही छोटा होता है।
एक स्थिर बाहरी दबाव पर पानी के बुलबुले के अंदर दबाव ड्रॉप के परिमाण और पूर्ण वाष्प दबाव के क्रम का एक विचार तालिका में दिया गया है। 4-1 समीकरण (4-3) द्वारा परिकलित।
तालिका 4-1। मान , पानी के लिए
इन आंकड़ों से पता चलता है कि, कुछ दसियों माइक्रोन से कम के दायरे में, बुलबुले के अंदर वाष्प का दबाव पहले से ही बाहरी दबाव से अधिक है।
एक बुलबुले में वाष्प के दबाव की उसके आकार पर निर्भरता छोटे बुलबुले के थर्मल या थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति पर सुविधाओं को लागू करती है। एक बुलबुले में वाष्प और उसकी सतह पर तरल संतुलन में होते हैं यदि तरल की सतह का तापमान बुलबुले में वाष्प के दबाव पर संतृप्ति तापमान के बराबर होता है। यह तापमान तरल में बाहरी दबाव पर संतृप्ति तापमान से अधिक है। इसलिए, थर्मल संतुलन को प्राप्त करने के लिए, बुलबुले के चारों ओर तरल को अधिक गरम किया जाना चाहिए।
एक उदाहरण के रूप में, वायुमंडलीय दबाव पर पानी में दो बुलबुले क्रमशः 0.01 और 0.001 मिमी के बराबर त्रिज्या पर विचार करें। इन बुलबुलों में वाष्प दाब तालिका में दिया गया है। 4-1, यह पा भी है। जल संतृप्ति रेखा पर, ये दबाव 102.8 और 123.3 डिग्री सेल्सियस के संतृप्ति तापमान के अनुरूप होते हैं। यह तापमान मान है कि संतुलन के अस्तित्व के लिए इन बुलबुले के आसपास के पानी में होना चाहिए।
अगली विशेषता यह है कि यह संतुलन अस्थिर हो जाता है। यदि तरल का तापमान संतुलन मूल्य से थोड़ा अधिक है, तो कुछ तरल बुलबुले में वाष्पित हो जाएगा और इसकी त्रिज्या बढ़ जाएगी। इस मामले में, लाप्लास समीकरण के अनुसार, बुलबुले में वाष्प का दबाव कम हो जाएगा। इससे संतुलन की स्थिति से एक नया विचलन होगा। बुलबुला अनिश्चित काल तक बढ़ने लगेगा।
इसके अलावा, तरल के तापमान में थोड़ी कमी के साथ, वाष्प का हिस्सा संघनित हो जाएगा, बुलबुले का आकार कम हो जाएगा, और इसमें वाष्प का दबाव बढ़ जाएगा। यह संतुलन की स्थिति से एक और विचलन की आवश्यकता होगी, अब दूसरी दिशा में। नतीजतन, बुलबुला पूरी तरह से घनीभूत हो जाएगा और गायब हो जाएगा।
नतीजतन, एक सुपरहीटेड तरल में, कोई भी बेतरतीब ढंग से बनने वाले छोटे बुलबुले आगे बढ़ने में सक्षम नहीं होते हैं, लेकिन केवल वे जिनकी त्रिज्या ऊपर मानी गई अस्थिर यांत्रिक और थर्मल संतुलन की स्थितियों के अनुरूप मूल्य से अधिक है। इस न्यूनतम बुलबुला त्रिज्या को अक्सर महत्वपूर्ण वाष्प नाभिक त्रिज्या के रूप में भी जाना जाता है। मूल्य तरल के अति ताप की डिग्री पर निर्भर करता है, अर्थात तापमान अंतर पर जहां तरल में दबाव में संतृप्ति तापमान होता है। न्यूनतम वाष्प बुलबुला त्रिज्या के लिए व्यंजक लाप्लास समीकरण से प्राप्त किया जा सकता है:
अगर हम इस बात को ध्यान में रखते हैं कि थर्मल संतुलन की स्थिति के अनुसार ऐसे बुलबुले के लिए वाष्प और तरल के बीच दबाव अंतर है:
जहां संतृप्ति रेखा पर तापमान के संबंध में दबाव का व्युत्पन्न है।
इस प्रकार, हमारे पास है:
या इंटरफेस की वक्रता पर संतृप्त वाष्प दबाव की निर्भरता को ध्यान में रखते हुए
जहां व्युत्पन्न पी किसी दिए गए पदार्थ की भौतिक विशेषता है, यह क्लैपेरॉन - क्लॉसिस समीकरण द्वारा निर्धारित किया जाता है
यानी, इसे अन्य भौतिक स्थिरांक के रूप में व्यक्त किया जाता है: चरण संक्रमण की गर्मी, वाष्प और तरल घनत्व, और पूर्ण संतृप्ति तापमान।
समीकरण (4-4) से पता चलता है कि यदि भाप के नाभिक हीटिंग सतह के कुछ बिंदुओं पर दिखाई देते हैं, तो केवल उनमें से जिनकी वक्रता त्रिज्या मान से अधिक होती है, उनमें आगे सहज वृद्धि की क्षमता होती है। चूंकि मान बढ़ने के साथ घटता है, समीकरण (4-4) सतह के बढ़ते तापमान के साथ वाष्पीकरण केंद्रों की संख्या में वृद्धि के प्रयोगात्मक रूप से देखे गए तथ्य की व्याख्या करता है।
बढ़ते दबाव के साथ वाष्पीकरण केंद्रों की संख्या में वृद्धि भी कमी के साथ जुड़ी हुई है, क्योंकि बढ़ते दबाव के साथ यह बढ़ता है, लेकिन घटता है। निम्नलिखित गणना परिमाण के क्रम का एक विचार देती है। वायुमंडलीय दबाव, सतह तनाव, व्युत्पन्न और तापमान अंतर पर उबलते पानी के लिए 5 से 25 डिग्री सेल्सियस की सीमा में भिन्न होता है। इन मानों को समीकरण (4-4) में प्रतिस्थापित करने पर, हम पाते हैं कि µm पर; सुक्ष्ममापी पर
उच्च गति फिल्मांकन का उपयोग करके किए गए अवलोकनों से पता चलता है कि, एक निश्चित उबलते शासन के तहत, वाष्प बुलबुले के गठन की आवृत्ति सतह पर और समय पर अलग-अलग बिंदुओं पर समान नहीं होती है। यह उबलने की प्रक्रिया को एक जटिल सांख्यिकीय चरित्र देता है। तदनुसार, विभिन्न बुलबुले की वृद्धि दर और पृथक्करण आकार भी कुछ औसत मूल्यों के आसपास यादृच्छिक विचलन की विशेषता है।
अंजीर पर। 4-6 प्रयोगात्मक डेटा दिखाता है जो विभिन्न बुलबुले के त्रिज्या आर में परिवर्तन दिखाता है, उस समय के आधार पर जब पानी एक क्षैतिज प्लेट पर विभिन्न दबावों पर उबलता है, उच्च गति फिल्मांकन का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है (प्रत्येक बुलबुले के लिए, समय को पल से गिना जाता है इसकी उपस्थिति से)। इस ग्राफ पर खींची गई रेखाएं निश्चित क्वथनांक पर R की अनुमानित औसत निर्भरता निर्धारित करती हैं। इन निर्भरताओं का रूप है: यानी वे दिखाते हैं कि बुलबुले का आकार औसतन के अनुपात में बढ़ता है। जैसे-जैसे दबाव बढ़ता है, बुलबुले की वृद्धि दर स्पष्ट रूप से कम हो जाती है। कई तरल पदार्थों के लिए ऐसे अध्ययनों के परिणाम अंजीर में प्रस्तुत किए गए हैं। 4-7 पैरामीटर पर औसत मूल्यों की निर्भरता के रूप में। मूल्यों पर प्रायोगिक डेटा को एक शक्ति कानून द्वारा संतोषजनक ढंग से वर्णित किया जाता है, जो समीकरण की ओर जाता है
जहां और तरल की तापीय चालकता और तापीय विसरण के गुणांक हैं।
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यह अनुपात हीटिंग सतह पर वाष्प के बुलबुले की वृद्धि दर निर्धारित करता है।
बुलबुला एक निश्चित आकार तक पहुंचने के बाद, यह सतह से अलग हो जाता है। आंसू-बंद आकार मुख्य रूप से गुरुत्वाकर्षण, सतह तनाव और जड़ता की बातचीत से निर्धारित होता है। बाद वाला मान एक गतिशील प्रतिक्रिया है जो आकार में बुलबुले के तेजी से विकास के कारण तरल में होती है। आमतौर पर, यह बल बुलबुले को टूटने से रोकता है। इसके अलावा, बुलबुले के विकास और पृथक्करण की प्रकृति काफी हद तक इस बात पर निर्भर करती है कि तरल सतह को गीला करता है या नहीं। एक तरल की गीला करने की क्षमता को संपर्क कोण की विशेषता है जो दीवार और तरल की मुक्त सतह के बीच बनता है। जितना अधिक होगा, तरल की गीला करने की क्षमता उतनी ही खराब होगी। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि (चित्र 4-8, ए) पर, तरल सतह को गीला कर देता है, और (चित्र 4-8, बी) पर यह गीला नहीं होता है। संपर्क कोण का मान तरल की प्रकृति, सामग्री, स्थिति और सतह की सफाई पर निर्भर करता है। यदि उबलता हुआ द्रव ताप की सतह को गीला कर देता है, तो वाष्प के बुलबुले की टांग पतली होती है और आसानी से सतह से बाहर आ जाती है (चित्र 4-9, क)। यदि तरल सतह को गीला नहीं करता है, तो वाष्प के बुलबुले का एक चौड़ा पैर होता है (चित्र 4-9, बी) और इस्थमस के साथ बंद हो जाता है, या पूरी सतह पर वाष्पीकरण होता है।
चावल। 4-8. मेनिस्कस का आकार और संपर्क कोण जब गीला होता है (ए) और गैर-गीला (बी) एक तरल के साथ सतह।
चावल। 4-9. गीली (ए) और गैर-गीली (बी) सतहों पर वाष्प के बुलबुले का आकार।
साधारण तरल पदार्थ: पानी, अल्कोहल, बेंजीन, एसीटोन, आदि - गीली साफ धातु की हीटिंग सतहें। यदि धातु की सतह को चिकना फिल्म के साथ लेपित किया जाता है तो पानी की गीला करने की क्षमता काफी कम हो जाती है।
पारा एक गैर-गीला तरल का एक उदाहरण है।
जब साधारण तरल पदार्थों को धातु की हीटिंग सतहों पर उबाला जाता है, तो वायुमंडलीय दबाव पर बुलबुले के औसत पृथक्करण व्यास लगभग 1-2 मिमी होते हैं। जैसे-जैसे दबाव बढ़ता है, मान घटते जाते हैं। अंजीर पर। आंकड़े 4-10 दबाव रेंज पा में एक क्षैतिज सतह पर बड़ी मात्रा में उबलते पानी के मूल्यों को दिखाते हैं। गुणात्मक रूप से, अन्य तरल पदार्थों के लिए समान निर्भरता प्राप्त की गई थी। वायुमंडलीय के नीचे दबाव में कमी के साथ तेज वृद्धि को जड़ता बल के प्रभाव में वृद्धि द्वारा समझाया गया है जो बुलबुले को अलग होने से रोकता है। न्यूक्लियेट उबलने की प्रक्रिया के लिए, हीटिंग सतह से बुलबुला टुकड़ी की औसत आवृत्ति का मूल्य भी रुचि का है।
तालिका में। चित्र 4-2 वायुमंडलीय दबाव पर एक क्षैतिज सतह पर उबलने वाले कई तरल पदार्थों के प्रयोगात्मक रूप से मापा मूल्यों और उत्पादों को दर्शाता है।
चावल। 4-10. (1) चांदी, (2) तांबा, (3) कांस्य, और (4) पर्मलोय से बनी क्षैतिज सतहों पर पानी उबालने के दौरान दबाव पी के आधार पर वाष्प के बुलबुले के पृथक्करण व्यास में परिवर्तन।
तापमान अंतर (या गर्मी प्रवाह) में वृद्धि के साथ, व्यक्तिगत बुलबुले के विलय की प्रक्रिया धीरे-धीरे बड़े माध्यमिक बुलबुले और पूरे भाप "खंभे" के गठन के साथ विकसित होने लगती है। सतह के पास, वाष्प की औसत मात्रा 60-80% तक बढ़ जाती है। हालांकि, अध्ययनों से पता चलता है कि दीवार के पास एक बहुत पतली सतह परत में, तरल चरण अभी भी प्रबल होता है। इस परत का थर्मल प्रतिरोध मुख्य रूप से विकसित न्यूक्लियेट उबलने के मामले में गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता को निर्धारित करता है। गर्मी भार बढ़ने पर प्रभावी परत की मोटाई कम हो जाती है, जिससे गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता में वृद्धि होती है।
उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण गुणांक आमतौर पर तापमान अंतर के लिए जिम्मेदार होता है:
अंजीर पर। 4-11 एक उदाहरण के रूप में विभिन्न दबावों पर बड़ी मात्रा में पानी के विकसित न्यूक्लियेट उबलते पानी के प्रयोगात्मक डेटा दिखाता है। प्रयोगों के परिणाम आमतौर पर या तो q और के बीच संबंध के रूप में प्रस्तुत किए जाते हैं, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 4-11, ए, या क्यू पर निर्भरता के रूप में, जो अंजीर में दिखाया गया है। 4-11, बी.
तालिका 4-2। तरल पदार्थ के लिए मूल्य
प्रायोगिक आंकड़ों से पता चलता है कि गर्मी प्रवाह घनत्व और दबाव में वृद्धि के साथ गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता बढ़ जाती है। यह पैटर्न किसी भी तरल पदार्थ के लिए विशिष्ट है जो हीटिंग सतह को गीला करता है। अंजीर में बिंदीदार रेखाएँ। 4-11 पानी उबलने के बुलबुला मोड के अस्तित्व की ऊपरी सीमा निर्धारित करते हैं। दबाव के एक समारोह के रूप में संबंधित मूल्यों को अंजीर में दिखाया गया है। 4-12.
अध्ययनों से पता चलता है कि विकसित न्यूक्लियेट उबलने के मामले में गर्मी हस्तांतरण की नियमितता व्यावहारिक रूप से गर्मी जारी करने वाली सतह के आकार और आकार से स्वतंत्र होती है। इसी समय, प्रयोगों से पता चलता है कि गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता हीटिंग सतह की स्थिति, सामग्री और सफाई के आधार पर भिन्न हो सकती है। गर्मी हस्तांतरण पर इन कारकों का प्रभाव, जाहिरा तौर पर, मुख्य रूप से वाष्पीकरण केंद्रों के घनत्व में बदलाव के कारण प्रकट होता है। धातु की सतह की सूक्ष्मता में वृद्धि के साथ-साथ दीवार सामग्री की तापीय चालकता में वृद्धि के साथ कई प्रयोगों में गर्मी हस्तांतरण में सुधार देखा गया। ऐसे आंकड़े हैं जो दिखाते हैं कि हीटिंग सतह पर जमा और ऑक्साइड की एक छोटी मात्रा की वर्षा भी गर्मी हस्तांतरण में कुछ वृद्धि में योगदान कर सकती है। हालांकि, महत्वपूर्ण सतह संदूषण संदूषण परत के अतिरिक्त थर्मल प्रतिरोध की उपस्थिति के कारण गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता को कम करता है। यह प्रयोगात्मक रूप से दिखाया गया है कि संपर्क कोण (गीला क्षेत्र में) में वृद्धि के साथ, गर्मी हस्तांतरण बढ़ जाता है। बहुत साफ सतहों और एक साफ तरल के साथ, गर्मी हस्तांतरण में कमी नोट की जाती है।
आमतौर पर, व्यवहार में, उपरोक्त त्वचा प्रभाव एक साथ दिखाई देते हैं। इससे गर्मी हस्तांतरण को सटीक रूप से निर्धारित करना मुश्किल हो जाता है। प्रयोगों से पता चलता है कि सतह की स्थितियों में अंतर के कारण, निश्चित q और p के मान किसी दिए गए तरल के लिए कुछ औसत स्तर से लगभग 35% (चित्र 4-13) तक विचलित हो सकते हैं।
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विकसित उबलने के साथ, ए और क्यू के बीच के संबंध को आमतौर पर लगभग 2/3 के घातांक के साथ एक शक्ति कानून के रूप में दर्शाया जा सकता है:
तदनुसार, q पर निर्भरता संबंध द्वारा निर्धारित होती है
जहाँ c एक आनुपातिकता कारक है, जिसका मान तरल के प्रकार और दबाव पर और कुछ हद तक सतह की स्थितियों पर भी निर्भर करता है।
चावल। 4-13. विभिन्न लेखकों के आंकड़ों के अनुसार वायुमंडलीय दबाव में उबलते पानी के दौरान गर्मी हस्तांतरण। 1 - जैकब और लिंके, क्रोम प्लेटेड, साफ, लंबे फोड़े; 2 - चिचेली और बोनिला, क्रोम प्लेट, मामूली पट्टिका; 3-6 - कोल्चुगिन और अन्य। स्टेनलेस स्टील, निकल, क्रोमियम, चांदी, क्रमशः, क्षैतिज पाइप डी = 5 मिमी। साफ़; 7, 8 - बोरिसान्स्की और अन्य। स्टेनलेस स्टील और पीतल, क्रमशः, क्षैतिज पाइप डी = 4-5 मिमी; 9 - मिनचेंको, पीतल का पाइप डी = 9 मिमी; 10 - कुटाटेलडेज़, ग्रेफाइट रॉड डी = 2 मिमी; 11 - मैकएडम्स, तांबे का पाइप डी = 13 मिमी।
न्यूक्लियेट उबलने की प्रक्रिया की जटिल सांख्यिकीय प्रकृति के साथ-साथ सतह की स्थिति के प्रभाव के कारण, गर्मी हस्तांतरण डेटा को सामान्य करने की समस्या बहुत मुश्किल है। समानता समीकरणों को स्थापित करने में पहले से ही कुछ कठिनाइयाँ उत्पन्न होती हैं। कई दृष्टिकोण ज्ञात हैं, लेकिन उनमें से कोई भी पूरी तरह से कठोर नहीं है।
इस दिशा में उपलब्ध प्रस्तावों में से सबसे सुसंगत विश्लेषण किया गया है। लेखक ने गर्मी हस्तांतरण का वर्णन करने के लिए एक प्रत्यक्ष अनुमानित विधि का प्रस्ताव रखा।
सामान्य तौर पर, पर्याप्त रूप से विकसित उबलते समय, जब हीटिंग सतह के पास वॉल्यूमेट्रिक वाष्प सामग्री महत्वपूर्ण हो जाती है, उबलते समय गर्मी हस्तांतरण की उच्च तीव्रता हीटिंग सतह पर शेष पतली तरल परत के कम थर्मल प्रतिरोध से निर्धारित होती है। न्यूक्लियेट उबलने के पूरे क्षेत्र में इस तरह के एक इंटरलेयर की उपस्थिति की पुष्टि उबलने के तंत्र के अध्ययन से संबंधित कई प्रयोगात्मक अध्ययनों के परिणामों से होती है।
इस निकट-दीवार तरल परत के माध्यम से गर्मी का हस्तांतरण, इसकी छोटी मोटाई के कारण, मुख्य रूप से, जाहिरा तौर पर, गर्मी चालन द्वारा किया जाता है। इसलिए, यदि हम समय के साथ और सतह पर औसत ऐसी फिल्म की कुछ प्रभावी मोटाई को निरूपित करते हैं, तो हम लिख सकते हैं कि
हालांकि, न्यूक्लियेट उबलने की प्रक्रिया की जटिल, अराजक प्रकृति के कारण मात्रा की कठोर गणना मुश्किल है; बाद के विश्लेषण में, किसी को अनुमानित गुणात्मक अनुमानों का सहारा लेना पड़ता है। यह मान लेना स्वाभाविक है कि मूल्य में कमी होनी चाहिए: तरल वी की चिपचिपाहट के गतिज गुणांक में कमी के साथ, इस परत की सीमा के पास वाष्प-तरल मिश्रण के यादृच्छिक आंदोलन की तीव्रता में वृद्धि के कारण वाष्पीकरण की प्रक्रिया, और सतह पर ही वाष्पीकरण केंद्रों के घनत्व में वृद्धि के साथ। अंतिम दो प्रभावों का माप हो सकता है: वाष्पीकरण की कम दर वाष्प नाभिक के महत्वपूर्ण त्रिज्या का पारस्परिक है; कोई व्यक्तिगत वाष्प बुलबुले के विकास और सतह के पास पूरे वाष्प-तरल मिश्रण की गति पर विचार कर सकता है कई आवधिक प्रक्रियाओं का एक संयोजन; इसलिए, सामान्य तौर पर, इस तरह के एक जटिल और अनिश्चित आंदोलन को एक विशिष्ट औसत अवधि के साथ कुछ आवधिक आंदोलन के रूप में व्याख्या किया जा सकता है। फिर, आयाम के विचार से, यह इस प्रकार है कि मूल्य एक अवधि, यानी।
यदि अब हम समीकरण (बी) को (ए) में प्रतिस्थापित करते हैं, समीकरणों (4-4 ए), (4-5) और गर्मी हस्तांतरण गुणांक की परिभाषा को ध्यान में रखते हैं, तो सरल परिवर्तनों के बाद हमें निर्भरता मिलती है
जो ऊष्मा अंतरण गुणांक a को ऊष्मा प्रवाह घनत्व q और तरल के भौतिक गुणों से संबंधित करता है। संबंध में मान (सी) एक आयामहीन संख्यात्मक गुणांक है। वाष्प-तरल मिश्रण की अराजक गति की दर और वाष्पीकरण केंद्रों के घनत्व के अनुमान की अनुमानित प्रकृति के कारण, यह गुणांक चरण घनत्व और विशिष्ट सतह स्थितियों के अनुपात पर निर्भर हो सकता है जो वाष्पीकरण केंद्रों की घटना को प्रभावित करते हैं।
संबंध (सी), उपरोक्त विचारों को ध्यान में रखते हुए, विकसित न्यूक्लियेट उबलते समय गर्मी हस्तांतरण पर प्रयोगात्मक डेटा के विश्लेषण और सामान्यीकरण के आधार के रूप में उपयोग किया जा सकता है।
आयोजित अध्ययनों और प्रायोगिक आंकड़ों पर विचार करने से पता चलता है कि गर्मी हस्तांतरण की गणना के लिए निर्भरता की सिफारिश की जा सकती है
जहां बी गुणांक है:
चावल। 4-14. मुक्त संचलन (1-6) की स्थितियों में उबलते पानी के दौरान और पाइपों और कुंडलाकार चैनलों (7-12) में जबरन आवाजाही के दौरान गर्मी हस्तांतरण। 1-4 - स्टेनलेस स्टील, निकल, क्रोमियम और चांदी की सतहों पर क्रमशः प्रयोगात्मक डेटा; 5-6 - स्टेनलेस स्टील और कांस्य सतहों पर प्रयोगात्मक डेटा; 7 - प्रयोगात्मक डेटा, स्टेनलेस स्टील; 5 - प्रायोगिक डेटा (81), स्टेनलेस स्टील; 9 - प्रायोगिक डेटा, स्टेनलेस स्टील; 10 - प्रयोगात्मक डेटा, तांबा; 11 - प्रयोगात्मक डेटा, स्टेनलेस स्टील; 12 - प्रायोगिक डेटा, स्टेनलेस स्टील। ठोस रेखा का मान समीकरण (4-10) से मेल खाता है।
इस सूत्र में सभी भौतिक गुणों को संतृप्ति तापमान द्वारा चुना जाना चाहिए।
अंजीर पर। 4-14 वाष्प और तरल घनत्व के अनुपात पर औसत (किसी दिए गए दबाव पर) मूल्यों की निर्भरता के रूप में विभिन्न ताप सतहों पर उबलते पानी के दौरान गर्मी हस्तांतरण पर विभिन्न शोधकर्ताओं के प्रयोगात्मक डेटा को दर्शाता है। ग्राफ पर रेखा गर्मी हस्तांतरण के औसत स्तर को दर्शाती है। यह सूत्र (4-10) से मेल खाता है। इस निर्भरता से विभिन्न शोधकर्ताओं के डेटा के विचलन को मुख्य रूप से माप त्रुटियों से नहीं, बल्कि सतह की स्थितियों में अंतर द्वारा समझाया गया है। ये विचलन आम तौर पर ± 35% के भीतर होते हैं।
अंजीर पर। 4-15, उसी उपचार में, अन्य तरल पदार्थों की एक बड़ी मात्रा में उबालने के दौरान गर्मी हस्तांतरण पर प्रयोगात्मक डेटा प्रस्तुत किया जाता है।
प्रत्येक तरल के लिए सामान्य समीकरण (4-10) के आधार पर, सरल गणना अनुपात भी प्राप्त किए जा सकते हैं। ऐसा करने के लिए, विभिन्न दबावों पर समीकरण (4-10) में गर्मी प्रवाह घनत्व के सामने गुणांक के मूल्य की गणना करें। पानी के लिए इस तरह के विश्लेषण के परिणामस्वरूप, गणना सूत्र को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है
कहाँ - बार; क्यू - डब्ल्यू / एम 2। सूत्र दबाव सीमा में 1 से 200 बार तक लागू होता है। अंजीर पर। 4-16, पानी के लिए मुख्य प्रायोगिक डेटा (दबाव पर मूल्य की निर्भरता के रूप में प्रस्तुत) की तुलना सूत्र (4-11) द्वारा गणना किए गए डेटा से की जाती है। यह देखा जा सकता है कि यह सूत्र, साथ ही साथ सामान्य अनुपात (4-10), गर्मी हस्तांतरण के एक निश्चित औसत स्तर को दर्शाता है। सतह प्रभावों के संभावित प्रभाव के कारण उपरोक्त सीमाओं के भीतर समीकरणों (4-10) और (4-11) द्वारा गणना किए गए लोगों से वास्तविक मान भिन्न हो सकते हैं।
चावल। 4-15. मुक्त संचलन की स्थितियों में विभिन्न द्रवों को उबालने के दौरान ऊष्मा का स्थानांतरण। बेंजीन: 1-3 - डेटा, स्टेनलेस स्टील, निकल, चांदी, क्रमशः 4 - डेटा, क्रोम-प्लेटेड सतह; 5 - डेटा, स्टेनलेस स्टील; हेप्टेन: 6 - डेटा; एथिल अल्कोहल: 7 - डेटा; 8 - 10 - डेटा; फ्रीऑन-12: 11 - डेटा, स्टेनलेस स्टील; फ्रीऑन -22: 12 - डेटा, स्टेनलेस स्टील; अमोनिया: 13 - डेटा। स्टेनलेस स्टील; डिपेनिल: 14 - डेटा, स्टेनलेस स्टील। ठोस रेखा का मान समीकरण (4-10) से मेल खाता है।
प्रयोगों से पता चलता है कि, जबरन द्रव गति के मामले में, विकसित न्यूक्लियेट उबलने के साथ गर्मी हस्तांतरण के पैटर्न संबंधों का पालन करते हैं (4-10) और (4-11)। यह अंजीर से निम्नानुसार है। 4-14 और 4-16, जो पाइपों और कुंडलाकार चैनलों में चलते हुए संतृप्त और उप-ठंडा पानी के तीव्र उबलने के लिए प्रयोगात्मक डेटा भी दिखाते हैं।
चावल। 4-16. उबलते पानी पर पी पर निर्भरता (अंकों के पदनाम चित्र 4-14 के समान हैं)। ठोस रेखा सूत्र (4-11) से मेल खाती है।
विकसित न्यूक्लियेट उबलने पर गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता व्यावहारिक रूप से गुरुत्वाकर्षण बलों के स्तर से स्वतंत्र होती है। अंजीर पर। 4-17 बड़ी मात्रा में उबलते पानी के दौरान गर्मी हस्तांतरण पर प्रयोगात्मक डेटा को मुक्त गिरावट त्वरण से 135 गुना अधिभार में त्वरण में परिवर्तन के साथ दिखाता है: । दिए गए डेटा से पता चलता है कि गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता नहीं बदलती है। ये प्रयोग सेंट्रीफ्यूज पर किए गए थे, जहां, घूर्णी गति को बदलकर, इसी तरह के अधिभार बनाए गए थे। जैसे-जैसे गुरुत्वाकर्षण बल गुरुत्वाकर्षण बल के स्तर से कम होता जाता है, गर्मी हस्तांतरण, जैसा कि प्रयोग दिखाते हैं, व्यावहारिक रूप से नहीं बदलता है। हालांकि, पूर्ण भारहीनता के तहत, बड़ी मात्रा में लंबे समय तक उबालने का संगठन स्पष्ट रूप से असंभव है, क्योंकि भारहीनता में हीटिंग सतह से परिणामी वाष्प को हटाना बंद हो जाता है।
बहुत कम दबाव के क्षेत्र में, उबलने की प्रक्रिया कई नई विशेषताएं प्राप्त करती है। मुख्य हैं एक अनियमित, उबलने की प्रक्रिया में स्पंदन, तरल के महत्वपूर्ण ओवरहीटिंग की घटना और ध्वनि प्रभाव (दस्तक) की उपस्थिति।
इस मामले में, औसत गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता काफी कम हो जाती है।
एक छोटी बूंद के प्रवाह के साथ सिंचाई के कारण सतह पर बनाई गई पतली फिल्मों (1 मिमी से कम मोटी) में तरल उबलने पर अजीबोगरीब नियमितताएं दिखाई देती हैं।
सामान्य तौर पर, उपरोक्त डेटा से पता चलता है कि न्यूक्लियेट उबलने की प्रक्रिया गर्मी हस्तांतरण की उच्च तीव्रता और एक इकाई सतह से बहुत महत्वपूर्ण गर्मी प्रवाह को हटाने की संभावना की विशेषता है। बाद के मूल्य पहले महत्वपूर्ण गर्मी प्रवाह घनत्व के मूल्य से सीमित हैं।
चावल। 4-17. विभिन्न अनुपातों में पानी के न्यूक्लियेट उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण।
गर्मी हटाने की प्रक्रिया में सीमा को इस तथ्य से समझाया गया है कि जब वाष्पीकरण की एक निश्चित तीव्रता तक पहुंच जाती है, तो हीटिंग सतह के अलग-अलग वर्गों में तरल की आपूर्ति की स्थिति खराब हो जाती है। इन क्षेत्रों में तरल फिल्म समय-समय पर सूखने लगती है। नतीजतन, गर्मी हटाने की प्रक्रिया में शामिल सतह का प्रभावी अंश कम हो जाता है। इस तरह की प्रक्रिया का विकास हीटिंग सतह के पास तरल और वाष्प के संचलन की प्रकृति और सतह से ही भाप की मात्रा को हटाने की तीव्रता पर निर्भर करता है। गीली स्थिति, खुरदरापन और अन्य सतह विशेषताओं का भी एक निश्चित प्रभाव होता है।
जब मुक्त गति (बड़ी मात्रा) की स्थितियों में क्षैतिज पाइप और प्लेटों पर तरल उबलता है, तो सतह से वाष्प हटाने की दर मुख्य रूप से मुक्त गिरावट त्वरण के कारण बल द्वारा निर्धारित की जाती है। इन शर्तों के मानों की गणना सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है
यह अनुपात विशुद्ध रूप से हाइड्रोडायनामिक घटना के रूप में उबलते संकट के बारे में निम्नलिखित विचारों से प्राप्त होता है। जैसे-जैसे न्यूक्लियेट उबलने के दौरान ऊष्मा प्रवाह घनत्व q बढ़ता है, वाष्पीकरण की कम दर और ताप सतह के पास उत्पन्न वाष्प प्रवाह के गतिशील शीर्ष में वृद्धि होती है। एक निश्चित मूल्य पर, निकट-दीवार दो-चरण परत की संरचना का एक हाइड्रोडायनामिक पुनर्व्यवस्था होता है, जिसके परिणामस्वरूप तरल के पर्याप्त हिस्से को उबलते सतह पर प्रवाहित किया जाता है। यह एक उबलते संकट की ओर जाता है। दो-चरण परत के हाइड्रोडायनामिक पुनर्गठन के क्षण को भाप प्रवाह के गतिशील सिर, गुरुत्वाकर्षण बल और सतह तनाव के बल के बीच एक निश्चित अनुपात की विशेषता होनी चाहिए। मान प्रणाली की विशेषता रैखिक आकार है। इन तीन मात्राओं के बीच आयामों के सिद्धांत के विचार से, निम्नलिखित आयामहीन कार्यात्मक संबंध मौजूद होने चाहिए:
जहाँ f अभी भी एक मनमाना फलन है। प्रयोगात्मक अवलोकनों के अनुसार, महत्वपूर्ण ताप प्रवाह घनत्व हीटर के रैखिक आयामों पर निर्भर नहीं करता है। इसलिए, फ़ंक्शन का रूप ऐसा होना चाहिए कि पिछले संबंध में आकार कम हो। यह शर्त फॉर्म की निर्भरता से ही संतुष्ट होती है
जहां कुछ सकारात्मक आयामहीन संख्या है। मूल्य के संबंध में इस संबंध को हल करने पर, हम प्राप्त करते हैं:
संख्यात्मक गुणांक A अपरिभाषित रहता है। यह प्रयोगात्मक डेटा के साथ पिछले अनुपात की तुलना से निर्धारित किया गया था और लगभग 0.14 निकला। इस प्रकार समीकरण (4-12) प्राप्त होता है।
संबंध (4-12) मूल्य का एक निश्चित औसत स्तर निर्धारित करता है, जबकि सतह की स्थितियों के प्रभाव और उबलने की प्रक्रिया की सांख्यिकीय प्रकृति के कारण पहले महत्वपूर्ण गर्मी प्रवाह घनत्व के वास्तविक मूल्य गणना वाले से भिन्न हो सकते हैं। लगभग ± 35%। प्रयोगों से पता चलता है कि बड़ी मात्रा में तरल के उबलने की मात्रा व्यावहारिक रूप से सतह के आकार पर निर्भर नहीं करती है, अगर हीटिंग सतह से भाप को मुक्त रूप से हटाने के लिए स्थितियां प्रदान की जाती हैं।
जब भाप निकालना मुश्किल होता है (उदाहरण के लिए, हीटिंग साइड के साथ एक क्षैतिज प्लेट), तो मान काफी कम हो जाते हैं। उबलते तरल के मामले में भी यही देखा जाता है, जो हीटिंग सतह को गीला नहीं करता है। गीला करने की स्थिति में सुधार से गंभीर गर्मी प्रवाह में वृद्धि होती है। कई प्रयोगों में, सतह खुरदरापन में वृद्धि के साथ-साथ सतह पर जमा और पैमाने की वर्षा के साथ महत्वपूर्ण प्रवाह में वृद्धि देखी गई। सूत्र (4-12) द्वारा अनुमानित मूल्यों पर मुक्त गिरावट त्वरण का प्रभाव औसतन प्रयोगात्मक डेटा द्वारा पुष्टि की जाती है।
जब मजबूर आंदोलन की स्थिति में पाइप और चैनलों के अंदर तरल उबलता है, सतह से भाप हटाने की तीव्रता और, तदनुसार, मूल्य आंदोलन की गति और प्रवाह में अशांत मिश्रण की प्रकृति पर निर्भर करता है। इन परिस्थितियों में, प्रवाह की वाष्प सामग्री का भी बहुत प्रभाव पड़ता है। प्रयोगों से पता चलता है कि जैसे-जैसे वाष्प की मात्रा बढ़ती है, मान कम होते जाते हैं। गर्मी-मुक्त करने वाली सतह के पास वाष्प के बुलबुले के संघनन के कारण सबकूलिंग के साथ उबलने के दौरान, हीटिंग सतह पर तरल की आपूर्ति के लिए अनुकूल परिस्थितियों को बहुत अधिक गर्मी प्रवाह तक संरक्षित किया जाता है। इसलिए, सबकूलिंग के साथ उबलने के दौरान मान आमतौर पर काफी बड़े हो जाते हैं, और सबकूलिंग की डिग्री में वृद्धि के साथ (मूल्य द्वारा निर्धारित , किसी दिए गए खंड में तरल का औसत तापमान कहां है) बढ़ जाता है।
पाइप और चैनलों में चल रहे तरल के उबलते संकट के अध्ययन के लिए बड़ी संख्या में कागजात समर्पित किए गए हैं। हालांकि, विभिन्न कारकों के जटिल पारस्परिक प्रभाव के कारण, के लिए सरल और सार्वभौमिक निर्भरता अभी तक प्राप्त नहीं हुई है। इसलिए, महत्वपूर्ण थर्मल भार की गणना समान तरल पदार्थों के प्रयोगों से और उपयुक्त परिस्थितियों में प्राप्त प्रत्यक्ष (निजी) आंकड़ों के आधार पर की जानी चाहिए।
3. फिल्म उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण। फिल्म मोड में, वाष्प फिल्म द्वारा उबलते तरल को हीटिंग सतह से अलग किया जाता है, और सतह का तापमान संतृप्ति तापमान से काफी अधिक होता है। इसलिए, उच्च तापमान पर सतह और वाष्प फिल्म के बीच संवहन गर्मी हस्तांतरण के साथ, गर्मी के हस्तांतरण में एक सराहनीय हिस्सा थर्मल विकिरण से संबंधित है (अध्याय 5 देखें)।
फिल्म उबलने के दौरान संवहनी गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता वाष्प फिल्म के थर्मल प्रतिरोध से निर्धारित होती है। फिल्म में वाष्प की गति की प्रकृति और इसकी मोटाई हीटिंग सतह के आकार और आकार और गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में इसके स्थान के साथ-साथ द्रव आंदोलन की स्थितियों पर निर्भर करती है। इस प्रकार, मुक्त गति (बड़ी मात्रा में) की शर्तों के तहत क्षैतिज पाइप की सतह पर फिल्म उबलने के दौरान, वाष्प पाइप की परिधि के साथ ऊपरी जेनरेट्रिक्स तक जाती है और, जैसा कि यह जमा होता है, समय-समय पर अलग के रूप में हटा दिया जाता है बुलबुले
; 6-9 - पेंटेन, डी = 4.8; 6.05; क्रमशः 8.95 और 11.9 मिमी।
चावल। 4-19. ऊर्ध्वाधर सतहों पर फिल्म उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण। मान सूत्र (4-14) द्वारा निर्धारित किया जाता है। 1 - बेंजीन; 2 - कार्बन टेट्राक्लोराइड; 3 - मिथाइल अल्कोहल; 4 - आर्गन; 5 - नाइट्रोजन; 6 - एथिल ईथर; 7 - एथिल अल्कोहल (1-7 - वायुमंडलीय दबाव); 8 - एथिल अल्कोहल, दबाव पा।
अंजीर पर। 4-18 प्रयोगात्मक डेटा के साथ सूत्र (4-13) की तुलना करें।
ऊर्ध्वाधर ट्यूबों और प्लेटों की सतह पर फिल्म उबलने के दौरान, फिल्म में वाष्प प्रवाह में आमतौर पर एक अशांत (भंवर) चरित्र होता है। फिल्म की सतह तरंग दोलनों का अनुभव करती है, फिल्म की मोटाई वाष्प की गति की दिशा में बढ़ती है। प्रयोगों से पता चलता है कि गर्मी हस्तांतरण व्यावहारिक रूप से हीटिंग सतह की ऊंचाई पर निर्भर नहीं करता है, और इसके परिणामस्वरूप, फिल्म में वाष्प प्रवाह दर पर निर्भर करता है। कुल मिलाकर, प्रक्रिया कई मामलों में ऊर्ध्वाधर सतहों के पास एकल-चरण तरल के मुक्त संवहन के समान होती है। इस मामले में, भारोत्तोलन बल, जो फिल्म में वाष्प की गति को निर्धारित करता है, तरल और वाष्प के घनत्व में अंतर से निर्धारित होता है। इस मामले में गर्मी हस्तांतरण की गणना सूत्र के अनुसार की जा सकती है
इस सूत्र में भाप के भौतिक गुणों को भाप के औसत तापमान के अनुसार चुना जाना चाहिए। अंजीर पर। 4-19 इस सूत्र की तुलना ऊर्ध्वाधर पाइपों की सतह पर विभिन्न तरल पदार्थों के फिल्म उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण पर प्रयोगात्मक डेटा से की जाती है।
चावल। 4-20. एक क्षैतिज प्लेट 280 X 280 मिमी पर पानी (1) और फ्रीऑन (2) के फिल्म उबलने के प्रयोगात्मक डेटा के साथ निर्भरता (4-14) की तुलना और एक गोले की सतह पर नाइट्रोजन डी = 25.4 मिमी सामान्य मुक्त गिरावट त्वरण पर ( 5) और कम मुक्त गिरावट त्वरण।
महत्वपूर्ण आयामों की एक क्षैतिज प्लेट की सतह पर एक तरल के फिल्म उबलने के दौरान, वाष्प फिल्म की सतह तीव्र तरंग दोलनों का अनुभव करती है, जिसके परिणामस्वरूप वाष्प के बुलबुले समय-समय पर इसके विभिन्न बिंदुओं पर बनते हैं। अंजीर पर। 4-20 280 x 280 मिमी के आयामों के साथ-साथ एक गेंद डी की सतह पर नाइट्रोजन की फिल्म उबलने के लिए एक क्षैतिज प्लेट पर पानी और फ्रीऑन की फिल्म उबलने के प्रयोगात्मक डेटा के साथ सूत्र (4-14) की तुलना दिखाता है। = 25.4 मिमी सामान्य और कम गुरुत्वाकर्षण पर। यद्यपि प्राथमिक प्रायोगिक डेटा को एक महत्वपूर्ण स्कैटर द्वारा चित्रित किया जाता है, सूत्र (4-14) औसतन इन आंकड़ों से सहमत होता है।
फिल्म उबलने की समाप्ति तब होती है जब सतह का तापमान एक निश्चित मूल्य से कम हो जाता है। इन क्षणों में, तरल गर्मी मुक्त करने वाली सतह को छूना (गीला) करना शुरू कर देता है।
तालिका 4-3। कुछ तरल पदार्थों के लिए तापमान सीमा मान
प्रयोगों से पता चलता है कि फिल्म उबलने की समाप्ति तब होती है जब हीटिंग सतह का तापमान तरल के सीमित सुपरहीट के तापमान के बराबर या आमतौर पर थोड़ा कम होता है। उत्तरार्द्ध तरल के अधिकतम सुपरहिटिंग को निर्धारित करता है, जिसके ऊपर तरल चरण थर्मोडायनामिक रूप से बिल्कुल अस्थिर होता है; यह अनायास विघटित और वाष्पित हो जाता है। कार्यों में, विभिन्न प्रयोगात्मक विधियों का उपयोग करके तरल पदार्थों के सीमित ताप के तापमान के मूल्यों का विस्तार से अध्ययन किया गया। अंजीर पर। 4-21 पानी के संबंध को दर्शाता है। यह आंकड़ा जल संतृप्ति रेखा को भी दर्शाता है। निर्भरता की एक विशेषता यह है कि यह एक सीधी रेखा के करीब है जो पदार्थ की स्थिति के महत्वपूर्ण बिंदु पर समाप्त होती है। तालिका में। आंकड़े 4-3 वायुमंडलीय दबाव पर कई तरल पदार्थों के लिए मान दिखाते हैं।
फिल्म उबलना बंद हो जाता है जब तापमान अंतर बराबर होता है या आमतौर पर सीमित सुपरहीट के अनुरूप तापमान अंतर से थोड़ा कम होता है।
इस प्रकार,
जहां गुणांक c आमतौर पर 0.8-1.0 की सीमा में होता है।
उच्च सतह के तापमान पर, तरल हीटिंग सतह के संपर्क में नहीं आ सकता है, क्योंकि सतह पर पहुंचने पर, यह अनायास विघटित हो जाता है और वाष्पित हो जाता है। यह फिल्म उबलने के अस्तित्व की संभावना को निर्धारित करता है, इस तथ्य के बावजूद कि वाष्प फिल्म अक्सर हाइड्रोडायनामिक रूप से अस्थिर हो जाती है।
और वायुमंडलीय दबाव पर, यदि पाइप की सतह का तापमान
हीट फ्लक्स घनत्व
10.1. तरल उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण
रेडियो-इलेक्ट्रॉनिक साधनों में, जब उच्च ताप प्रवाह घनत्व, उदाहरण के लिए, गर्म तत्वों और विधानसभाओं से अधिक निकालने की आवश्यकता होती है, तो तरल की सतह के उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है।
गर्म सतह के संपर्क में तरल के उबलने की घटना के लिए, सतह के तापमान का कुछ अधिक होना आवश्यक है
इस मामले में, गर्म सतह से सटे तरल परत और इस सतह के तापमान के बराबर तापमान होने पर अधिक गरम हो जाएगा।
इस सुपरहीटेड परत में उबलने की प्रक्रिया शुरू होती है - सतह पर कुछ बिंदुओं पर, वाष्पीकरण के तथाकथित केंद्र, जो कि सूक्ष्मता, विभिन्न विषमताएं, भाप के बुलबुले दिखाई देते हैं।
ये बुलबुले सुपरहिटेड परत में तरल वाष्पीकरण की प्रक्रिया में बढ़ते हैं और फिर गर्मी छोड़ने वाली सतह से अलग हो जाते हैं।
भाप उत्पन्न करने के लिए ऊष्मा का उपयोग किया जाता है
हल्की गर्मी के साथ
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि उबलते तरल की मात्रा में तापमान संतृप्ति तापमान के करीब होगा (सामान्य वायुमंडलीय दबाव में पानी के लिए, अतिरिक्त 0.2 - 0.4 है)
कहाँ पे
यहां
कहाँ पे
व्यंजक (10.1.2) में, सभी भौतिक मापदंडों को संतृप्ति तापमान पर लिया जाता है
गर्मी प्रवाह घनत्व संबंध द्वारा गर्मी हस्तांतरण गुणांक से संबंधित है
खाते (10.1.2) को ध्यान में रखते हुए, गर्मी हस्तांतरण गुणांक सूत्र द्वारा व्यक्त किया जाएगा
कुछ तापमान अंतर पर
मूल्यों के लिए
तापमान अंतर में और वृद्धि के साथ, पूरी सतह वाष्प की एक सतत फिल्म से ढकी हुई है, गर्मी-मुक्त सतह के साथ तरल का संपर्क गायब हो जाता है, और एक स्थिर फिल्म शासन शुरू होता है, जो बहुत अधिक सतह के तापमान पर होता है। वाष्प फिल्म की मोटाई एक मिलीमीटर के अंश हैं, और इसमें वाष्प की गति, ऊर्ध्वाधर सतहों के लिए, एक अशांत चरित्र है। .
यहां गर्म सतह से तरल में गर्मी हस्तांतरण फिल्म के माध्यम से संवहन द्वारा और काफी हद तक थर्मल विकिरण द्वारा किया जाता है।
फिल्म उबलने के लिए गर्मी हस्तांतरण गुणांक की गणना सूत्र से की जा सकती है
जहां एक और दो स्ट्रोक वाले माध्यम के भौतिक पैरामीटर क्रमशः तरल और वाष्प को संदर्भित करते हैं, जबकि वाष्प के मापदंडों को इसके औसत तापमान पर चुना जाना चाहिए।
एक स्थिर फिल्म उबलते शासन के साथ, गर्मी हस्तांतरण गुणांक व्यावहारिक रूप से नहीं बदलता है, और गर्मी प्रवाह घनत्व तापमान अंतर (छवि 10.1) के समानुपाती होगा।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि क्षणिक शासन
अस्थिर है। सतह पर पहुँचने पर के बराबर सुपरहीट
इसी तरह की तस्वीर सतह पर आपूर्ति की जाने वाली तापीय ऊर्जा में कमी के साथ भी देखी जाती है। इस मामले में, सतह का तापमान कम हो जाता है, और अधिक गरम होने पर
यह आमतौर पर तब माना जाता है जब शीतलन प्रणाली विकसित बुलबुला क्वथनांक में संचालित होती है, अर्थात, ठंडी सतह की अधिकता से अधिक नहीं होती है
चावल। 10.1. निर्भरता
तरल पदार्थों के उबलने को बड़ी मात्रा में मुक्त गति के साथ या पाइपों और चैनलों में मजबूर आंदोलन के साथ माना जाता है। उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता तरल की प्रकृति और उसके थर्मोफिजिकल गुणों पर निर्भर करती है। परिभाषित तापमान संतृप्ति तापमान है।
हम बुलबुला उबलते शासन की शर्तों के तहत गर्मी हस्तांतरण पर विचार करने के लिए खुद को सीमित रखते हैं।
बड़ी मात्रा में उबालने और किसी दिए गए सतह ताप प्रवाह घनत्व (हीटिंग सतह का ताप भार) में उबालने पर, निम्न निर्भरताओं का उपयोग करके गर्मी हस्तांतरण की गणना की जाती है:
- पर< 0,01
समीकरण सामान्यीकृत चर के संकेतन का उपयोग करते हैं:
ताप (वाष्पीकरण) सतह पर वाष्प बुलबुले के महत्वपूर्ण व्यास के लिए आनुपातिक ज्यामितीय आकार कहाँ है, मी;
वाष्पीकरण की कम दर कहां है, जो प्रति यूनिट समय में हीटिंग सतह के प्रति यूनिट क्षेत्र में उत्पन्न भाप की मात्रा को दर्शाती है, एम 3 / (एम 2 एस);
वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा है, J/kg;
उत्पन्न भाप का घनत्व है, kg/m3.
निर्भरता (6.1) और (6.2) निम्नलिखित शर्तों के तहत मान्य हैं:
यह लिखने की प्रथा है
तरल के थर्मोफिजिकल गुणों के आधार पर पैरामीटर कहां है, एम 2/डब्ल्यू।
बड़ी मात्रा में उबालने और दिए गए तापमान अंतर (हीटिंग सतह के तापमान और संतृप्ति तापमान के बीच का अंतर) में, निम्नलिखित समीकरणों का उपयोग किया जाता है:
- पर
- पर<
तापमान अंतर कहां है, के;
तरल के थर्मोफिजिकल गुणों के आधार पर एक पैरामीटर है, K-1।
मापदंडों के मान, और संतृप्ति तापमान के आधार पर परिशिष्ट डी में पानी के लिए दिए गए हैं।
उपरोक्त गणना की गई निर्भरता का उपयोग पहले महत्वपूर्ण थर्मल लोड से कम थर्मल लोड पर किया जाता है, जिस पर फिल्म उबलते मोड में संक्रमण देखा जाता है। जल के लिए प्रथम क्रांतिक तापीय भार का मान नीचे दिया गया है:
एक निश्चित प्रकार के तरल के लिए, बड़ी मात्रा में उबालने के दौरान गर्मी हस्तांतरण गुणांक केवल सतह गर्मी प्रवाह घनत्व और संतृप्ति दबाव पर निर्भर करता है। इसलिए, अनुभवजन्य संबंधों का उपयोग किया जाता है।
दबाव में पानी के लिए 0.1 से 4 एमपीए तक, निर्भरताएं
संतृप्ति दबाव कहां है, एमपीए;
पाइप और चैनलों में न्यूक्लियेट उबलने के साथ, यह ध्यान में रखा जाता है कि गर्मी हस्तांतरण तरल के संवहन द्वारा इसके मजबूर आंदोलन के दौरान, और उबलते तरल में वाष्पीकरण की प्रक्रिया द्वारा निर्धारित किया जाता है।
70% से अधिक नहीं की वाष्पशील वाष्प सामग्री पर उबलने के मामले में, गर्मी हस्तांतरण की गणना निम्नानुसार की जाती है:
- पाइपों में जबरन गति के लिए और बड़ी मात्रा में न्यूक्लियेट उबलने के लिए गर्मी हस्तांतरण गुणांक खोजें (क्रमशः और);
- पाइपों में न्यूक्लियेट उबलने के लिए गर्मी हस्तांतरण गुणांक निर्धारित करें:
- जब स्वीकार करें =;
- 0.5 . पर< < 2 вычисляют
- जब स्वीकार करें =।
सूत्र
जहां निर्धारित तापमान पर्यावरण का औसत तापमान है।
कार्य
6.1. 0.5 एमपीए के दबाव में हीटर की क्षैतिज सतह से उबलते पानी में गर्मी हस्तांतरण गुणांक निर्धारित करें।
हीटर की सतह का ताप भार 1 मेगावाट/एम2 है।
फेसला
हीटर की सतह का थर्मल लोड एक ही दबाव पर पहले महत्वपूर्ण से कम है (ऊपर देखें)
डब्ल्यू/एम2< Вт/м2.
उबलने का तरीका चुलबुली है।
परिशिष्ट बी और डी से दिए गए दबाव पर हम पानी के मापदंडों को लिखते हैं
151.84 0С; = 1.17 और = 0.684 डब्ल्यू/(एम के)।
हम परिशिष्ट डी के अनुसार उबलते पानी के दौरान गर्मी हस्तांतरण की विशेषताओं का निर्धारण करते हैं
एम;
हम सूत्र द्वारा पाते हैं (6.5)
समीकरण द्वारा निर्धारित करें (6.1)
समीकरण के अनुसार संख्या के व्यंजक के आधार पर ऊष्मा अंतरण गुणांक (6.3)
6.2. समस्या 6.1 की शर्तों के तहत सूत्र (6.8) के अनुसार गणना करें और पिछली गणना के परिणाम के साथ तुलना करें।
6.3. 38 मिमी के बाहरी व्यास और 1 मीटर की लंबाई वाले ट्यूबलर इलेक्ट्रिक हीटर की सतह पर, पानी 480 kPa के दबाव में उबलता है। इलेक्ट्रिक हीटर पावर 14 किलोवाट।
हीटर की बाहरी सतह का तापमान निर्धारित करें।
6.4. 1.5 एमपीए के दबाव में पानी बड़ी मात्रा में उबलता है। हीटर का ताप भार 1.25 मेगावाट/एम2 है। गर्मी हस्तांतरण गुणांक निर्धारित करें।
समीकरणों (6.1) और (6.8) के अनुसार परिकलन करें।
6.5. उबलते पानी के दौरान बड़ी मात्रा में हीटिंग सतह के ताप भार का निर्धारण करें, जिसमें पानी 0.62 एमपीए के दबाव में हो। हीटिंग सतह का तापमान 175 0C है।
फेसला
पानी के दबाव पर = 0.62 एमपीए, हम अनुलग्नक बी और डी से लिखते हैं:
160 ; = 1.1 और = 0.68 डब्ल्यू/(एम के)।
हम उबलने के बबल मोड को स्वीकार करते हैं।
परिशिष्ट डी से हम पाते हैं
0.526 के-1 और = एम।
हम परिभाषित करते हैं
इस स्थिति में, समीकरण (6.6) के अनुसार
गर्मी हस्तांतरण गुणांक
क्रिटिकल थर्मल लोड
6.6. पानी को बड़ी मात्रा में उबालने से, 1 घंटे में 250 किलो शुष्क संतृप्त भाप प्राप्त करना आवश्यक है। आवश्यक ताप सतह का पता लगाएं यदि भाप का दबाव 0.8 एमपीए है और हीटिंग सतह का तापमान 180 है।
6.7. इलेक्ट्रिक बॉयलर तार की सतह पर 0.15 एमपीए के दबाव में पानी का बुलबुला उबलना बड़ी मात्रा में होता है। तार का व्यास 3 मिमी है, और प्रतिरोधकता ओम मीटर है।
पानी की अनुमेय अति ताप 20 है।
स्वीकार्य वर्तमान का निर्धारण करें।
6.8. 12 एम 2 के कुल ताप सतह क्षेत्र वाले भाप जनरेटर में, उबलते पानी से 0.02 एमपीए के दबाव के साथ शुष्क संतृप्त भाप प्राप्त की जाती है। 17 के बराबर ताप सतह पर तापमान अंतर पर उपकरण की भाप क्षमता निर्धारित करें।
6.9. उबलते पानी पर गर्मी हस्तांतरण गुणांक और 1 घंटे के लिए बाष्पीकरण में प्राप्त भाप के द्रव्यमान की गणना करें। कुल हीटिंग सतह क्षेत्र 5 एम 2 है, हीटिंग सतह पर उबलते पानी की अधिकता 12 है, जिसके परिणामस्वरूप भाप गीला संतृप्त है 0.9 की सूखापन डिग्री, भाप का दबाव 0 .17 एमपीए है।
6.10. 10 t/h की भाप क्षमता वाले बॉयलर की बाष्पीकरणीय सतह का आवश्यक क्षेत्र निर्धारित करें। जल वाष्प का दबाव 1.4 एमपीए है, भाप शुष्क संतृप्त है। हीटिंग सतह पर तापमान का अंतर बराबर है
10 . गणना बड़ी मात्रा में न्यूक्लियेट उबलने की शर्तों के तहत की जाती है।
6.11. समान ताप सतह क्षेत्र के साथ भाप उत्पादन को 2 गुना बढ़ाने के लिए समस्या 6.10 की शर्तों के तहत क्या तापमान अंतर प्रदान किया जाना चाहिए।
उबलते पानी के लिए गर्मी हस्तांतरण गुणांक निर्धारित करें, पाइप की आंतरिक सतह का तापमान 173 मानते हुए।
6.15. पाइप की आंतरिक सतह का तापमान निर्धारित करें, यदि सतह का थर्मल भार 0.5 मेगावाट / एम 2 है, तो उबलते पानी की गति 1.5 मीटर / सेकंड है, पानी का दबाव 1.26 एमपीए है। पाइप का भीतरी व्यास 38 मिमी है।
ग्रंथ सूची विवरण:
नेस्टरोव ए.के. संक्षेपण और उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण [इलेक्ट्रॉनिक संसाधन] // शैक्षिक विश्वकोश साइट
यद्यपि एक व्यक्ति लंबे समय से भौतिक प्रक्रियाओं से परिचित है, जिसके दौरान पदार्थों के एकत्रीकरण के एक राज्य से दूसरे चरण में संक्रमण होता है, वे वैज्ञानिक अनुसंधान के ध्यान का विषय बने रहते हैं, क्योंकि वे काफी जटिल होते हैं और अध्ययन के लिए वैज्ञानिक रूप से आधारित दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। आइए हम पदार्थों के संघनन और उबलने की प्रक्रिया के दौरान गर्मी हस्तांतरण के कुछ सामान्य पैटर्न पर विचार करें।
संघनन और उबलना
संघनन और उबलने की प्रक्रियाएं परस्पर विपरीत प्रक्रियाएं हैं, जो किसी पदार्थ के गैसीय अवस्था से तरल में और इसके विपरीत चरण संक्रमण को दर्शाती हैं।
इस क्षेत्र के भीतर जिन मुख्य सैद्धांतिक और पद्धतिगत मुद्दों को संबोधित किया जा रहा है, वे लागू उद्देश्यों के लिए अपने पाठ्यक्रम की भविष्यवाणी करने की क्षमता हैं।
मुख्य अनुप्रयुक्त क्षेत्र जिनके लिए संक्षेपण और उबालने की प्रक्रियाओं का ज्ञान महत्वपूर्ण है, प्राकृतिक विज्ञान के क्षेत्र में अनुसंधान और व्यावहारिक समस्याओं का समाधान, मेट्रोलॉजी में अनुप्रयोग, रासायनिक, धातुकर्म उद्योगों में उत्पादन सुविधाओं और उपकरणों के डिजाइन, साथ ही साथ राष्ट्रीय आर्थिक प्रणाली की अन्य शाखाओं के रूप में।
आणविक-गतिज सिद्धांत पदार्थ की संरचना के बारे में कुछ विचारों पर आधारित है और पदार्थ के मॉडल के साथ संचालित होता है, जिसकी सहायता से मैक्रोस्कोपिक सिस्टम के व्यवहार के नियमों में असीम रूप से बड़ी संख्या में व्यक्तिगत कणों को स्थापित किया जाता है। "आणविक-गतिज सिद्धांत रासायनिक पदार्थों के सबसे छोटे कणों के रूप में परमाणुओं और अणुओं के अस्तित्व के विचार के आधार पर पदार्थ की संरचना और गुणों का अध्ययन है"। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि आणविक गतिज सिद्धांत स्थूल मात्रा और कणों की सूक्ष्म विशेषताओं के बीच अन्योन्याश्रयता स्थापित करने के लिए संभाव्य मॉडल के आधार पर विभिन्न प्रणालियों के व्यवहार का वर्णन करता है। मैक्रोस्कोपिक मात्रा में शामिल हैं, उदाहरण के लिए, तापमान, आयतन, दबाव, आदि, और कणों की सूक्ष्म विशेषताओं में ऊर्जा, द्रव्यमान, गति आदि शामिल हैं।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि प्राकृतिक विज्ञान के इस क्षेत्र के ढांचे के भीतर, ऊष्मप्रवैगिकी पदार्थ की आणविक संरचना के साथ काम नहीं करती है और एक घटना विज्ञान है। थर्मोडायनामिक्स प्रयोगात्मक रूप से बनाए गए कानूनों के आधार पर किसी पदार्थ के गुणों के बारे में निष्कर्ष निकालता है और केवल भौतिक प्रयोग के आधार पर पेश की गई मैक्रोस्कोपिक मात्राओं के साथ काम करता है।
इस प्रकार, थर्मोडायनामिक और सांख्यिकीय दृष्टिकोण एक दूसरे के पूरक हैं, क्योंकि वैज्ञानिक अनुसंधान में केवल थर्मोडायनामिक्स और आणविक-गतिज सिद्धांत का जटिल उपयोग किसी को व्यक्तिगत कणों की अनंत संख्या से युक्त सिस्टम के गुणों का सबसे पूर्ण विचार बनाने की अनुमति देता है।
स्थितियों और उनके परिवर्तनों के आधार पर, कोई भी पदार्थ एकत्रीकरण की तीन अलग-अलग अवस्थाओं में हो सकता है: ठोस, तरल, गैसीय। एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण की प्रक्रिया एक चरण संक्रमण है। वास्तविक गैसें, जैसे नाइट्रोजन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, आदि कुछ शर्तों के तहत तरल में बदल सकती हैं। गैस का द्रव में परिवर्तन केवल महत्वपूर्ण तापमान (T करोड़) से नीचे के तापमान पर ही देखा जा सकता है। "उदाहरण के लिए, पानी के लिए, महत्वपूर्ण तापमान 647.3 K, नाइट्रोजन - 126 K, ऑक्सीजन - 154.3 K है। कमरे के तापमान (≈ 300 K) पर, पानी तरल और गैसीय दोनों अवस्थाओं में हो सकता है, और नाइट्रोजन और ऑक्सीजन केवल में मौजूद हैं गैसों का रूप।
तरल से गैसीय अवस्था में चरण संक्रमण को वाष्पीकरण कहा जाता है। इस प्रक्रिया में, सबसे तेज अणु तरल की सतह से बाहर निकलते हैं, जिसकी गतिज ऊर्जा तरल के बाकी अणुओं के साथ उनके संबंध की ऊर्जा से अधिक होती है। इससे शेष अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा में कमी आती है, अर्थात। तरल शीतलन के लिए (यदि आसपास के निकायों से ऊर्जा की आपूर्ति नहीं होती है)।
चरण संक्रमण, जिसमें वाष्प के अणु तरल अवस्था में लौट आते हैं, संघनन कहलाता है और वाष्पीकरण प्रक्रिया का उल्टा होता है।
"एक तरल के उबलने की प्रक्रिया उस तापमान पर होती है जिस पर उसका संतृप्त वाष्प दबाव बाहरी दबाव के बराबर हो जाता है।" चूंकि तरल में हमेशा छोटे गैस बुलबुले होते हैं, तरल के थोक में वाष्पीकरण हो सकता है यदि तरल का संतृप्त वाष्प दबाव बुलबुले में गैस के दबाव के बराबर या उससे अधिक हो। नतीजतन, तरल बुलबुले में वाष्पित हो जाएगा, जिससे गैस के बुलबुले का विस्तार होगा जो सतह पर तैरेंगे।
गैस वाष्प के संघनन के दौरान गर्मी हस्तांतरण
एक तरल और उसका वाष्प गतिशील संतुलन की स्थिति में हो सकता है, जिसका अर्थ है कि एक बंद बर्तन में, तरल की सतह से निकलने वाले अणुओं की संख्या, जिनकी गतिज ऊर्जा शेष तरल अणुओं के साथ उनके संबंध की ऊर्जा से अधिक होती है। , तरल अवस्था में लौटने वाले वाष्प अणुओं की संख्या के बराबर है। गतिशील संतुलन का अर्थ है कि वाष्पीकरण और संघनन की दर लगभग समान है। गैस के वाष्प जो द्रव के साथ संतुलन में होते हैं, संतृप्त गैस कहलाते हैं।
तरल में बदलने वाले अणुओं की संख्या गैस वाष्प के अणुओं की सांद्रता और उनकी तापीय गति की दर पर निर्भर करती है, जो गैस वाष्प के तापमान पर निर्भर करती है। इसलिए, गतिशील संतुलन की स्थिति में, तरल और गैसीय अवस्था में किसी पदार्थ का तापमान संतुलन होता है। "किसी पदार्थ का संतृप्ति वाष्प दाब केवल उसके तापमान पर निर्भर करता है और उसके आयतन पर निर्भर नहीं करता है।" यह बताता है कि दो-चरण प्रणाली में, वास्तविक गैसों के समताप मंडल में क्षैतिज खंड होते हैं, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है।
चित्र 1 - वास्तविक गैस समतापी
आकृति में, संख्याएँ इंगित करती हैं:
मैं - द्रव्य की तरल अवस्था; II - दो-चरण प्रणाली "तरल + संतृप्त भाप"; III - पदार्थ की गैसीय अवस्था।
जैसे-जैसे तापमान (T) बढ़ता है, पदार्थ के संतृप्त वाष्प का दबाव और घनत्व बढ़ता है, और थर्मल विस्तार के कारण तरल का घनत्व कम हो जाता है। T \u003d T cr की स्थिति में, पदार्थ के वाष्प और द्रव के घनत्व समान हो जाते हैं। शर्त के तहत T>T cr, किसी पदार्थ की तरल और गैसीय अवस्थाओं के बीच भौतिक अंतर को समतल किया जाता है। यदि, शर्त के तहत T< Т кр изотермически сжимать ненасыщенный пар, то давление пара будет увеличиваться до тех пор, пока не сравняется с давлением насыщенного пара. Дальнейшее уменьшение объема приведет к тому, что на дне сосуда образуется жидкость и установится динамическое равновесие, при уменьшении объема все большая часть паров газа будет конденсироваться, при этом давление меняться не будет, когда все пары газа возвратятся в жидкое состояние, давление резко увеличивается при дальнейшем сокращении объема по причине малой сжимаемости жидкости. При этом процесс преобразования вещества из паров газа в жидкость может произойти миновав двухфазную область, как показывает линия ABC.
बढ़ते तापमान के साथ संतृप्त वाष्प का दबाव बहुत तेजी से बढ़ता है और, अणुओं की निरंतर सांद्रता पर, गैस के तापमान में वृद्धि के सीधे अनुपात में बढ़ता है। इसी समय, तापमान में वृद्धि न केवल अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा में वृद्धि का कारण बनती है, बल्कि उनकी एकाग्रता में भी वृद्धि होती है, इसलिए संतृप्त वाष्प का दबाव एक आदर्श गैस के दबाव की तुलना में तेजी से बढ़ता है जब अणुओं की निरंतर एकाग्रता होती है। सत्व।
वैज्ञानिक दृष्टिकोण से,
संतृप्त भाप के संघनन के दौरान गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया गर्मी और द्रव्यमान का एक साथ स्थानांतरण है।
गर्मी हस्तांतरण वाष्पीकरण की गर्मी, द्रव्यमान - संघनित भाप की मात्रा से निर्धारित होता है। संघनन की प्रक्रिया के दौरान, वाष्प के अणु अशांत प्रवाह की स्थिति में होते हैं, जिसके भंवर पदार्थ के अणुओं को गैसीय अवस्था में बर्तन की ठंडी दीवार तक ले जाते हैं, जिस पर वे संघनित होते हैं। परिणाम भाप की मात्रा में तेज कमी है, परिणामस्वरूप, गैसीय अवस्था में पदार्थ के अणुओं का पोत की दीवार की ओर एक स्वयं का अनुवादिक आंदोलन बनाया जाता है। बर्तन की दीवार पर बना कंडेनसेट नीचे की ओर बहता है, और इसकी अपनी भाप दीवार के पास पहुँचती है। उसी समय, वैज्ञानिक और अनुप्रयुक्त पहलू में, गैसीय अवस्था में ऊष्मा और पदार्थ के थोक को पोत की दीवार में स्थानांतरित करने की प्रक्रिया इतनी जल्दी होती है कि गैसीय में पदार्थ के अणुओं के प्रवाह की अशांति की डिग्री संघनन प्रक्रिया पर राज्य का कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं पड़ता है।
संक्षेपण प्रक्रिया गर्मी हस्तांतरण के साथ अटूट रूप से जुड़ी हुई है, क्योंकि गैस वाष्प के संघनन के दौरान, चरण संक्रमण की गर्मी जारी होती है, इसलिए दो स्थितियां सत्य हैं: "पोत की दीवार का तापमान किसी दिए गए दबाव में संतृप्ति तापमान से नीचे होना चाहिए। , और उस सतह से गर्मी को दूर करना आवश्यक है जिस पर घनीभूत होता है"। फिल्म संघनन में, एक साधारण फिल्म के रूप में कंडेनसेट हीट एक्सचेंज सतह से नीचे बहता है, इसके लिए इस सतह को तरल से गीला करने की स्थिति देखी जानी चाहिए। यदि हीट एक्सचेंज की सतह गीली नहीं है या, उदाहरण के लिए, दूषित अवस्था में है, तो ड्रॉप-टाइप कंडेनसेशन होगा, जब कंडेनसेट विभिन्न आकारों की बूंदों के रूप में बनेगा। अंत में, मिश्रित संघनन का अर्थ है कि फिल्म और ड्रॉप प्रकार के संघनन की प्रक्रिया हीट एक्सचेंज सतह के विभिन्न हिस्सों पर एक साथ हो सकती है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि विभिन्न प्रकार की संक्षेपण प्रक्रिया के लिए, गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता निम्नानुसार भिन्न होती है:
- फिल्म-प्रकार संक्षेपण के दौरान गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता ड्रिप-प्रकार संक्षेपण की तुलना में कम होगी;
- मिश्रित प्रकार के संघनन के दौरान गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता, संक्षेपण के प्रकारों की प्रकृति और अनुपात पर निर्भर करती है, जो संबंधित प्रकार के संक्षेपण के लिए न्यूनतम और अधिकतम मूल्यों के भीतर होती है।
इस संबंध में, गर्मी विनिमय उपकरणों के डिजाइन और उपयोग के अभ्यास में, फिल्म संक्षेपण इस तथ्य के कारण प्रबल होता है कि फिल्म-प्रकार संक्षेपण के दौरान गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया की तीव्रता घनीभूत फिल्म के थर्मल प्रतिरोध के कारण छोटी बूंद से कम होती है। , जबकि हीट एक्सचेंज उपकरणों में ड्रिप संघनन प्रक्रिया का संगठन फिल्म संघनन प्रक्रिया के संगठन की तुलना में अधिक महंगा है। ।
चित्रा 2 - फिल्म का थर्मल प्रतिरोध कंडेनसेट प्रवाह व्यवस्था के आधार पर गर्मी हस्तांतरण तंत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है
संक्षेपण की प्रक्रिया में, फिल्म संक्षेपण के दौरान गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया सीमित नहीं है; गैसीय अवस्था में किसी पदार्थ के फिल्म प्रकार के संघनन के दौरान, घनीभूत फिल्म में थर्मल प्रतिरोध केंद्रित होता है।
तरल उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण
एक बंद बर्तन में, तरल उबलने की प्रक्रिया नहीं हो सकती है, क्योंकि प्रत्येक तापमान मूल्य पर, तरल और गैसीय अवस्था में पदार्थ का संतुलन स्थापित होता है, जबकि पदार्थ का गैस वाष्प संतृप्त वाष्प होता है। दबाव और तापमान p0 (T) के संतुलन वक्र के अनुसार, विभिन्न दबावों पर तरल के क्वथनांक को निर्धारित करना संभव है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि गैसीय और तरल अवस्था से, कोई भी पदार्थ ठोस अवस्था में जा सकता है। किसी पदार्थ के दो चरणों के बीच थर्मोडायनामिक संतुलन को सिस्टम में दिए गए तापमान और दबाव पर बनाए रखा जा सकता है।
तापमान पर संतुलन दबाव की निर्भरता चरण संतुलन का एक वक्र है। चित्र 3 किसी पदार्थ के चरण आरेख को दर्शाता है, संतुलन वक्र समन्वय प्रणाली को पदार्थ के ठोस, तरल और गैसीय अवस्थाओं के अनुरूप अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित करता है।
चित्र 3 - किसी पदार्थ का चरण आरेख
आकृति में, संख्याएँ इंगित करती हैं:
I - पदार्थ की ठोस अवस्था, II - द्रव्य की तरल अवस्था, III - पदार्थ की गैसीय अवस्था।
0T वक्र पदार्थ की ठोस और गैसीय अवस्थाओं के बीच संतुलन से मेल खाता है और इसे ऊर्ध्वपातन वक्र कहा जाता है। टीसी वक्र किसी पदार्थ की तरल और गैसीय अवस्थाओं के बीच संतुलन से मेल खाता है, जो महत्वपूर्ण बिंदु K पर टूट जाता है, और इसे वाष्पीकरण वक्र कहा जाता है। TM वक्र पदार्थ की ठोस और तरल अवस्थाओं के बीच संतुलन से मेल खाता है और इसे गलनांक वक्र कहा जाता है। त्रिक बिंदु T पर, तीनों चरण संतुलन में सह-अस्तित्व में हो सकते हैं।
"उबलना संतृप्ति तापमान पर या उससे ऊपर तरल की मात्रा के भीतर वाष्प के तीव्र गठन की प्रक्रिया से मेल खाता है"। इस प्रक्रिया के दौरान, चरण संक्रमण की गर्मी अवशोषित हो जाती है, इसलिए, उबालने के लिए संभव होने के लिए, गर्मी की आपूर्ति करने के लिए, दूसरे शब्दों में, पदार्थ को हीटिंग प्रदान करना आवश्यक है। सतह और थोक क्वथनांक है, बाद वाला काफी दुर्लभ है। वॉल्यूमेट्रिक उबलने के दौरान, उदाहरण के लिए, दबाव में तेज कमी के परिणामस्वरूप, तरल का एक महत्वपूर्ण ओवरहीटिंग देखा जाता है, और इस दबाव में पदार्थ का तापमान संतृप्ति तापमान से अधिक हो जाता है। सतह का उबलना एक ठोस सतह से तरल को गर्मी की आपूर्ति के कारण होता है, जो एक तरल अवस्था में किसी पदार्थ के संपर्क में होता है।
उबलने के दौरान, गर्मी हस्तांतरण की उच्च तीव्रता और उबलने की प्रक्रिया का व्यापक रूप से अभ्यास और उत्पादन में उपयोग किया जाता है: वाष्पीकरण, आसवन, बाष्पीकरण, उबलना, गुणों को बदलने के लिए पदार्थों का परिवर्तन, आदि। इस मामले में, उबलने की घटना के लिए, यह आवश्यक है कि तरल का तापमान संतृप्ति तापमान से अधिक हो, अर्थात। स्थिति टी तरल> टी संतृप्त देखी जाएगी, साथ ही वाष्पीकरण के केंद्रों की उपस्थिति भी देखी जाएगी। दीवार से उबलते तरल में गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए, संतृप्ति तापमान के सापेक्ष दीवार को ज़्यादा गरम किया जाना चाहिए: T = टी सेंट - टी उबाल
चित्र 4 तापमान अंतर पर विशिष्ट ऊष्मा भार q और ऊष्मा अंतरण गुणांक α की निर्भरता को दर्शाता है।
चित्र 4 - विशिष्ट ताप भार q की निर्भरता और ताप अंतरण गुणांक α तापमान अंतर T . पर निर्भर करता है
क्षेत्र एबी में, अति ताप अभी भी छोटा है, वाष्पीकरण के पर्याप्त सक्रिय केंद्र नहीं हैं, और गर्मी हस्तांतरण दीवार α ~ 1.3 के पास मुक्त संवहन के नियमों द्वारा निर्धारित किया जाता है। बीसी क्षेत्र में, अधिक गर्मी होती है, वाष्पीकरण के अधिक केंद्र होते हैं, गर्मी हस्तांतरण तेजी से बढ़ता है, और दीवार के पास सीमा परत की अशांति देखी जाती है। इस क्षेत्र को बुलबुला फोड़ा कहा जाता है। चुलबुली उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया का एक चित्र चित्र 5 में दिखाया गया है।
चित्रा 5 - बुलबुला उबलने के दौरान गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया की योजना
तरल का एक हिस्सा वाष्पित हो जाता है, इस प्रकार गैसीय अवस्था में पदार्थ के बुलबुले बनते हैं। एक पदार्थ के बुलबुले तरल के महत्वपूर्ण द्रव्यमान में प्रवेश करते हैं, जब वे बढ़ते हैं और मात्रा में वृद्धि करते हैं, तो ताजा तरल प्रवाह अंतर्वर्धित और वाष्पित तरल के स्थान पर प्रवेश करता है, जिसके कारण तरल हीटिंग सतह पर घूमता है, जिससे गर्मी का त्वरण होता है स्थानांतरण प्रक्रिया। इस समय α ~ T 2/3। चुलबुली क्वथनांक में ऊष्मा अंतरण तीव्रता का उच्च स्तर सतह के पास सीमा परत की अशांति की डिग्री के कारण होता है, जो कि हीटिंग सतह पर माइक्रोकैविटी में बनने वाले बुलबुले की संख्या और मात्रा के समानुपाती होता है।
बिंदु सी पर, गर्मी हस्तांतरण गुणांक अपने अधिकतम मूल्य तक पहुंच जाता है, जो विशिष्ट गर्मी भार क्यू के अधिकतम मूल्य से मेल खाता है, फिर गर्मी हस्तांतरण गुणांक में तेज कमी देखी जाएगी। यदि स्थिति cr मिलती है, तो बुलबुले जो एक दूसरे के करीब होते हैं या पास में विलीन हो जाते हैं, दीवार की सतह के पास एक वाष्प फिल्म दिखाई देगी, जो गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया के लिए अतिरिक्त थर्मल प्रतिरोध पैदा करेगी। गर्मी हस्तांतरण गुणांक α का मान तेजी से गिरता है। उबलने की प्रक्रिया की इस विधा को फिल्म कहा जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यद्यपि गैसीय अवस्था में किसी पदार्थ की फिल्म बहुत अस्थिर होती है, लगातार टूटती और फिर से प्रकट होती है, इस तरह का उबलता शासन गर्मी हस्तांतरण को गंभीर रूप से बाधित करता है, और, तदनुसार, व्यवहार में यह अत्यधिक अवांछनीय है।
जाँच - परिणाम
उबलने और संक्षेपण की प्रक्रियाओं पर विचार के परिणामों के आधार पर, यह निर्णय लिया जा सकता है कि मानव दैनिक जीवन और उत्पादन प्रक्रियाओं के लागू पहलुओं में उनका बहुत महत्व है।
संक्षेपण और उबलने की प्रक्रियाओं के दौरान गर्मी हस्तांतरण से संबंधित मुद्दों के अध्ययन के दौरान, यह पाया गया कि मनुष्यों से परिचित इन प्रक्रियाओं में एक बहुत ही जटिल आणविक गतिज प्रकृति होती है। इन प्रक्रियाओं का पाठ्यक्रम न केवल रोजमर्रा की मानवीय गतिविधियों में रोजमर्रा के कार्यों का समाधान निर्धारित करता है, बल्कि जटिल तकनीकी प्रणालियों, औद्योगिक परिसरों के कामकाज के विभिन्न और बहुपक्षीय पहलुओं के साथ-साथ व्यक्तिगत वस्तुओं और आवास और सांप्रदायिक सेवाओं के बुनियादी ढांचे के तत्वों को भी निर्धारित करता है। .
भाप के संघनन के दौरान गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया गर्मी वाहकों के एकत्रीकरण की स्थिति में बदलाव के साथ आगे बढ़ती है। संक्षेपण प्रक्रिया की विशिष्टता यह है कि ऊष्मा विनिमय प्रक्रिया एक स्थिर तापमान पर होती है।
चुलबुली उबलने में, गर्मी हस्तांतरण में दीवार से तरल में गर्मी हस्तांतरण होता है, फिर तरल द्वारा गर्मी को वाष्पीकरण गर्मी के रूप में पदार्थ के वाष्प बुलबुले की आंतरिक सतह पर स्थानांतरित किया जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि दीवार और सीधे गैसीय अवस्था में पदार्थ के बुलबुले के बीच गर्मी का आदान-प्रदान नगण्य है, क्योंकि दीवार के साथ वाष्प के बुलबुले की संपर्क सतह छोटी है और वाष्प की तापीय चालकता कम है। गर्मी हस्तांतरण करने के लिए, तरल का तापमान वाष्प के तापमान से कुछ अधिक होना चाहिए, इसलिए उबलते समय, तरल का तापमान तरल सतह के ऊपर संतृप्त वाष्प के तापमान से अधिक होता है।
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