СөЖ №6 «Фазалық ауысулар кезіндегі жылуалмасу» Орындаған
Қабырға бетіндегі көпіршіктің қалыптасу моделі
жүктеу/скачать 73.68 Kb.
|
| 2.2. Қабырға бетіндегі көпіршіктің қалыптасу моделі. Сұйықтықты қайнату кезінде жылуберу қарқындылығы қыздыру бетіндегі көпіршіктердің пайда болу қарқындылығына байланысты. Қайнаған сұйықтықтағы бу көпіршігі кезек-кезек пайда болады: эмбрион, өсу, ажырау және жүзу. Сұйықтық массасындағы көпіршікті ядролардың табиғаты мен шығу тегі белгісіз, қатты беттегі көпіршіктердің пайда болуы жеткілікті түрде егжей-тегжейлі зерттелген. Көпіршіктердің (ядролардың) түзілу орталықтары микрожарықтар, қуыстар, ойыстар – бастапқыда газ немесе бумен толтырылған қатты беттің әр түрлі кедір-бұдырлары болып табылады. Бетінің температурасы көтерілгенде, газ, ол қандай болса да, бұл қуыстарда қызады, газ қысымы жоғарылайды, газ кеңейеді - осылайша көпіршік ядросы пайда болады (2.1-сурет).
2.1-сурет Көпіршіктің пайда болуы және дамуы үшін оның көлемінің ішіндегі бу қысымының күші оның бетіне әсер ететін барлық сыртқы күштердің қосындысынан үлкен болуы қажет. Сондай-ақ эмбрионның көлеміне түсетін бу конденсацияланбайды, бірақ ішкі қысымды - оның дамуына қажетті күшті жоғарылатып, қызып кетуі керек. Ядроның механикалық тепе-теңдік шарты Лаплас теңдеуі арқылы анықталады. Көпіршік-ядроның беті іс жүзінде шар тәріздес және радиусы R осы бетке нормаль сұйықтағы молекулалық когезиялық күштердің әрекеті нәтижесінде көпіршіктегі бу қысымы p қоршаған сұйықтықтағы қысымнан үлкен болады. Сұйық молекулаларының когезия күштері (T) коэффициентімен сипатталады – сұйықтықтың температурасы мен табиғатына тәуелді беттік керілу кернеуі, ол барлық физикалық параметрлер сияқты анықтамалық әдебиеттерде кесте түрінде көрсетілген. Лаплас бойынша тепе-теңдік күйінде бұл күштердің теңдігі жүзеге асады: p 2 R (2.1) Егер эмбрионда қаныққан күйге қатысты қысымның артық болуы p > рн болса, онда эмбрион дамиды, көлемі ұлғаяды, көпіршікке айналады, егер, керісінше, эмбрион конденсацияланып, оның көлемінің ұлғаюына сәйкес келетін шарттар болғанша дейін дамымайды. Көпіршіктің дамуы үшін бу оның көлеміне енуі керек, яғни. оның бетінде фазалық ауысу жағдайлары қажет. Ол үшін сұйықтық қаныққан күйіне қатысты қысымның төмендеуіне p қатаң сәйкес келетін Тн = Тж – Тн мәні бойынша қатты қыздырылуы керек. Сұйықтыққа қаныққан күйдегі температура мен қысым арасындағы байланыс Клаузиус-Клапейрон теңдеуі арқылы анықталады: p rп Tн Tн (2.2) мұндағы r – фазалық ауысу жылуы (сұйықтың булануының массалық меншікті жылуы, фазалық ауысудың физикалық параметрі); Tn = Тf – Тn – эмбрионның дамуы үшін тепе-теңдік бумен қанығу температурасына қатысты сұйықтықтың қажетті аса қызуы; қабырға бетінде Tf = Tw шарты орындалады. Көпіршіктің тепе-теңдік күйінің бірге жазылған теңдеулері қайнап жатқан сұйықтықтың күйіне байланысты ядроның критикалық (минималды) өлшемін R бағалауға арналған өрнекті береді. Бұл өрнек көпіршіктің бетіне әсер ететін беттік керілудің молекулааралық күштерінің және оның көлемдеріндегі термодинамикалық қысымды анықтайтын қанығу сызығындағы физикалық параметрлерінің қатынасы: R 2 Tн (2.3) r п Tн (2.3) те R мәні көпіршікті ядроның өміршең өлшемін ғана емес, сонымен қатар булану орталықтары ретінде қызмет ете алатын қабырға бетінің кедір-бұдырының сол элементтерінің өлшемдерінің ретін (мәні) анықтайды. R мәні неғұрлым аз болса, ең кішкентай микрожарықтарда көпіршіктердің пайда болу ықтималдығы жоғары болса, бірдей қыздыру жағдайында қайнау қарқынды болады. Көпіршіктердің пайда болуы мен дамуы сұйықтықтың қызып кетуі Tn жоғарылауымен және қысымның жоғарылауымен жеңілдетіледі, бұл қуыста будың тығыздығының p артуына әкеледі. Әдетте, сұйықтықтың қайнауын қамтамасыз ету үшін қажетті жылу оған қатты бет арқылы беріледі. Демек, осы бетке жақын орналасқан қабаттардағы сұйықтықтың температурасы ең жоғары, оның қаныққан күйге қатысты қызып кетуі ең жоғары, бұл қыздыру бетінде микрожарықтардың көптігімен бірге көпіршіктердің пайда болуына ықпал етеді. Көпіршікті ядродан бөлу моменті қабырға бетіндегі жағдайларға, ең алдымен сулану бұрышымен сипатталатын сұйықтықпен беттің сулануына қатты тәуелді (2.1-сурет): егер > /2 - нашар ылғалдану, < /2 жақсы ылғалдану. Жақсы сулану кезінде сұйықтықтың бетіне жақын қабаты көпіршікті кесіп тастайды, оны қыздыру бетінен бөледі. Жақсы сулану кезінде сұйықтық жылу алмасу бетін жақсы жуып, сұйықтыққа жылу беруді жақсартуға және осылайша көпіршіктің көлеміне ықпал етеді (сұйықтықтың жылу өткізгіштігі жылу өткізгіштіктен бірнеше рет жоғары). будың). Мұның бәрі сұйықтықтың қайнау қарқындылығының жоғарылауына ықпал етеді, қалғандарының бәрі бірдей. Көпіршіктің көлеміне буды беру сонымен қатар көпіршіктің Fпж сұйықтықпен және қабырға Fпw байланыс бетінің қатынасына байланысты, ол көпіршіктің пішіні мен өлшемімен, сондай-ақ сулану шартымен анықталады. (2.1-сурет). Fpzh >> Fpw кезінде бу қайнап жатқан сұйықтықтан көпіршікке үлкенірек фазалық ауысу бетінен, қарқындырақ түседі, бұл оның көлемінің ұлғаю жылдамдығы мен булану жылдамдығының артуына ықпал етеді. Судың қайнау процесін бақылаулар көрсеткендей, будың шамамен 95%-ы қатты қызған сұйықтықтағы көпіршіктердің қозғалысы кезінде (Тж> Тн кезінде) және тек 5% - қыздыру бетінде көпіршік пайда болған кезде пайда болады. Дегенмен, бу өндірудің қарқындылығы жылу алмасу бетіндегі көпіршіктердің пайда болу сипатына тікелей байланысты. Бумен бірге фазалық ауысудың жылуы көпіршіктің көлеміне енеді. Эксперимент көрсеткендей, бұл факторлардың қатынасы Якоб санымен анықталады: (2.4) Якоб саны фазалық ауысу жылуымен анықталатын, қатты қызған сұйықтықтың көлем бірлігіне келетін жылу мөлшері мен будың көлемдік жылу мөлшері арасындағы қатынасты сипаттайды. Жылуалмасу бетінен бөлінгеннен кейін көпіршік сұйықтықта қозғалады, оның жағынан көлемдік орын ауыстыру күштері мен аэродинамикалық кедергі күштерін сезінеді. Егер сұйықтық қатты қызып кетсе, Tж > Tп, онда көпіршік бетіндегі фазалық ауысу жалғасады, оның көлеміндегі будың массасын арттырады. Бұл жағдайда көпіршіктің мөлшері (диаметрі) оны қыздыру кезінде будың кеңеюіне де, будың көпіршік көлеміне келуіне байланысты да ұлғаяды. Көпіршікті дамыту процесінде көлемдік орын ауыстырудың күшею күштері оның қозғалысын жылдамдатады, сұйық қабаттарды жылуалмасу бетінде де, оның көлемінде де қарқынды араластырады. Бұл жағдайда жылуберудің қарқындылығы тек сұйықтықтың араласуы есебінен ғана емес, негізінен будың қызып кету жылуының көпіршіктермен ұлғаюына байланысты (көпіршіктегі будың температурасы қаныққаннан жоғары) артады. фазалық ауысу температурасы). Тәжірибе көрсеткендей, қабырға бетіндегі сұйықтың ядролық қайнауы кезінде жылуберу коэффициентінің мәні өте жоғары мәндерге жетуі мүмкін = 200•103 Вт/( •К). жүктеу/скачать 73.68 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|