Центры кипения на границе раздела расплав – жидкость

ЦЕНТРЫ КИПЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА РАСПЛАВ – ЖИДКОСТЬ

, ,

ГБОУ ВПО Ставропольская государственная медицинская академия

e-mail: vecher. *****@***ru

Использование кипящих жидкостей в последние десятилетия нашло достаточно широкое применение во многих областях техники. Процесс кипения широко используется в химической и пищевой промышленности, криогенной и ракетной технике и т. д. Такие свойства процесса кипения как наиболее эффективный отбор тепла от поверхности нагревателя к кипящей жидкости, удаление из кипящей смеси в первую очередь более летучей компоненты и др. сделали его широко востребованным во многих областях техники. В связи с этим интерес представляют такие процессы, как зарождение и развитие паровых пузырьков на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, например, на поверхности расплава.

Центрами парообразования в этом случае могут служить: во-первых - частицы загрязнений, сохранившиеся на поверхности менее летучей жидкости, во-вторых – всегда присутствующее в жидкости в растворенном виде некоторое количество газов. Кроме того, наличие газа в перегретом слое жидкости может объясняться реакциями разложения жидкостей на металлической поверхности под действием катализаторов. В [1] описано исследование процесса образования паровых пузырьков при кипении воды и Н-гексана на поверхности ртути. В [2,3] описан процесс пузыреобразования на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей: ртуть – вода, расплавы олова – глицерин, олово – парафин.

В-третьих: при непосредственном контакте двух несмешивающихся жидкостей образуется некий промежуточный слой [4,5]. Процесс зарождения паровой фазы может происходить в этом слое, представляющим собой раствор. В этом растворе растворителем является вещество с большей плотностью и более высокой температурой кипения, а растворенным – с меньшей плотностью и с более низкой температурой кипения.

Как показывает рентгенографический анализ молекулярной структуры растворов [4], в них образуются квазикристаллические группировки однородных молекул, имеются амикроскопические капли чистых жидкостей. Таким образом, структура раствора микрогетерогенна. Подобные молекулярные образования из более летучего вещества и являются «ядрами вскипания».

При определенном температурном напоре на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей начинается процесс пузыреобразования. Образовавшиеся паровые пузыри при всплывании возбуждают на границе раздела несмешивающихся жидкостей волны и распыляют верхний слой более плотной жидкости в виде капель. Этот эффект тем сильнее, чем выше значение .

Однако, со значительным увеличением уменьшается толщина промежуточного слоя, так как происходит процесс выпаривания более летучей жидкости.

Существует некоторая оптимальная толщина промежуточного слоя, при которой распыление капель максимально. Дальнейшее увеличение приводит к уменьшению и числа распыляемых капель, а при процесс распыления капель прекращается. С уменьшением распыления капель уменьшается и число действующих центров кипения. Распыляемые капли поднимаются за пределы промежуточного слоя и охлаждаются до температуры кипения более легкой жидкости и под действием силы тяжести вновь возвращаются в промежуточный слой. При этом они охлаждают верхний слой более тяжелой жидкости и тем самым стабилизируют режим пузырькового кипения [2,3].

Таким образом, на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей образуется промежуточный слой, обладающий пузыреобразующим действием в определенном интервале температур. Центры кипения в этом слое – зоны пресыщения более летучего вещества (микроскопические группировки однородных молекул и амикроскопические капли), являющиеся «ядрами вскипания».

В случае гидрофильной поверхности более плотной фазы рост паровых пузырей будет происходить как на твердой поверхности, следовательно, в рассматриваемом случае можно полагать, что величина отрывного диаметра парового пузырька будет определяться выражением:

, (1)

где - капиллярная постоянная, - радиус центра кипения (группировки молекул растворителя).

Из выражения (1) следует, что

(2)

Таким образом, радиус микроскопической области более летучей фазы в пограничной области можно оценить по отрывному размеру пузырька и капиллярной постоянной жидкости.

В работе [6] был экспериментально получен ряд значений отрывного диаметра паровых пузырьков при кипении воды на расплаве Вуда. Используя выражение (2), можно оценить размеры центров кипения.

Результаты расчетов вместе с данными отрывных диаметров приведены для температурного напора в таблице 1, для температурного напора в таблице 2.

Естественно предположить, что группировки молекул растворителя, являющиеся центрами кипения могут быть различного размера, и этим объясняется тот факт, что при постоянном температурном напоре отрывные диаметры пузырьков принимают различные значения. На рисунке 1 приведены кривые распределения значений центров кипения при и .

Таблица 1.

№			№
1	4	0,554	11	4,1	0,596
2	4,2	0,641	12	4,2	0,641
3	3,9	0,513	13	4	0,554
4	4,3	0,688	14	4,2	0,641
5	4,1	0,596	15	4,1	0,596
6	4,3	0,688	16	4,2	0,641
7	4,2	0,641	17	4,2	0,641
8	4,2	0,641	18	3,9	0,513
9	4	0,554	19	4,2	0,641
10	4,1	0,596	20	4,1	0,596

Таблица 2.

№			№
1	4	0,554	11	4,1	0,596
2	4,2	0,641	12	4,2	0,641
3	4,2	0,641	13	4	0,554
4	4,3	0,688	14	4,2	0,641
5	4,1	0,596	15	4,1	0,596
6	4,3	0,688	16	4,2	0,641
7	4,2	0,641	17	4,2	0,641
8	4,2	0,641	18	4,3	0,688
9	4	0,554	19	4,2	0,641
10	4,1	0,596	20	4,3	0,688

Рисунок 1.

Как видно из приведенных экспериментальных данных, средние значения отрывных диаметров, а следовательно и центров кипения, для разных температурных напоров практически одинаковы.

Литература:

1.  Gordon Kenneth F., Singh T., Weissman E. V. Boiling heat transfer between immiscible liquids// Intern. J. Heat and Mass Transfer. – 1961. - V.3. - № 2. - P.90-93

2.  О процессе пузыреобразования на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей и теплообмена между ними//Энергетика и транспорт. – 1992. - Т.38. - С.89-92

3.  Марков и межфазные явления в механизме действия центров кипения: Автореф. дис. докт. Техн. наук. - Ставрополь, 19с.

4.  и др. Курс физической химии.- М.: Химия, 1969. - Т. 3. - С.152-153

5.  Райдил поверхностных явлений. - Л.: ОНТН-Химтеорет.,19с.

6.  О процессе генерации пара на границе раздела двух жидких фаз в условиях естественной конвекции: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. - Ставрополь, 2006. – 18 с.