Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi của chất lỏng

Phần 4 Kết quả và thảo luận

4.1. Xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt ẩm trong bộ phận cơ đặc

4.1.3. Trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi của chất lỏng

4.1.3.1. Q trình trao đổi nhiệt khi sơi

a. Các điều kiện của q trình sơi

Trong các thiết bị trao đổi nhiệt chúng ta có thể gặp hai loại q trình sơi: Q trình sơi trong thể tích của chất lỏng.

Quá trình sơi trên bề mặt vật rắn được đốt nóng. Điều kiện của q trình sơi:

Muốn có q trình sơi cần phải có hai điều kiện:

- Chất lỏng phải được quá nhiệt. Trong trường hợp sơi trong thể tích của chất lỏng thì tồn bộ khối chất lỏng phải được quá nhiệt. Sự quá nhiệt này có thể nhận được bằng cách giảm nhanh áp suất của chất lỏng để có p < ps (ps là áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ đã cho) hoặc cấp nhiệt cho khối chất lỏng như sục hơi nóng vào chất lỏng như thường gặp trong các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp. Trong trường hợp sơi trên bề mặt vật rắn thì phải có một lớp chất lỏng ở sát bề mặt vật rắn được quá nhiệt.

- Phải có các tâm sinh hơi. Các tâm sinh hơi có thể là các bọt khí, các hạt bụi hoặc các chỗ lồi lõm trên bề mặt vật rắn.

Đây là hai điều kiện cần thiết của q trình sơi. Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu khơng có tâm sinh hơi, ví dụ đối với chất lỏng rất sạch hay bề mặt vật rắn thật nhẵn bóng thì ngay cả khi chất lỏng có độ q nhiệt rất lớn, q trình sơi

66

cũng chưa có thể xảy ra. Nhưng nếu có các tâm sinh hơi thì khi chất lỏng được quá nhiệt đến một mức nào đó, q trình sơi đã có thể xảy ra.

Trong thực tế, ta thường gặp q trình sơi trên bề mặt vật rắn. Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu kỹ các đặc điểm của q trình sơi này.

b. Cơ cấu của q trình sơi trên bề mặt vật rắn - Sự hình thành các bọt hơi

Khi một lớp chất lỏng sát bề mặt vật rắn được quá nhiệt thì các bọt hơi được hình thành tại các tâm sinh hơi. Các phần tử có kích thước (Đặng Quốc Phú & cs., 2006): s o h 2 t R r t     , m (4.9)

sẽ được dùng làm tâm sinh hơi. Trong đó:

σ- sức căng bề mặt (N/m);

ts- nhiệt độ sôi ứng với áp suất đã cho, oC;

r - nhiệt hóa hơi, kJ/kg;

ρh - khối lượng riêng của hơi, kg/m3;

∆t là độ chênh nhiệt độ hay độ quá nhiệt của lớp chất lỏng sát bề mặt vật rắn, oC, ∆t = tw - ts;

tw - nhiệt độ của bề mặt vách.

Ro được xác định trên cơ sở thiết lập sự cân bằng của các lực tác dụng lên bề mặt bọt hơi, đó là lực áp suất trong bọt hơi, lực áp suất của chất lỏng bao quanh và bọt hơi và sức căng bề mặt của bọt hơi (Tong & Tang, 2016).

a) Góc ø>90o b) Góc ø <90o

Hình 4.2. Sự hình thành các bọt hơi trên bề mặt vật rắn

67

- Sự lớn lên và tách ly các bọt hơi

Sau khi các bọt hơi được sinh ra tại các tâm sinh hơi, các bọt hơi lớn lên dần dần. Sự lớn lên của các bọt hơi là do các bọt hơi mới sinh ra nhận nhiệt từ bề mặt đốt nóng qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng này tiếp tục bốc hơi vào trong bọt hơi, mặt khác khi nhận nhiệt, hơi trong bọt hơi giãn nở, kết quả là kích thước bọt hơi được tăng dần. Tốc độ lớn lên của bọt hơi có thể được xác định bằng cơng thức (Đặng Quốc Phú & cs., 2006):

h 12 t R r.     (4.10) Trong đó: λ- hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng; τ- thời gian.

Khi kích thước của bọt hơi đã đủ lớn, dưới tác dụng của lực Acsimet các bọt hơi được tách ra khỏi bề mặt vật rắn và chuyển động lên trên mặt thống. Trong q trình chuyển động lên trên, nếu chất lỏng ở phía trên khơng được q nhiệt thì các bọt hơi nổi lên bị lạnh sẽ ngưng lại nhỏ dần và biến mất trước khi tới mặt thoáng của chất lỏng. Hiện tượng sôi như vậy gọi là sôi chưa tới nhiệt, trường hợp này có thể gặp khi cơng suất nhiệt quá bé trong khi thể tích khối chất lỏng quá lớn hoặc khi bề mặt vật rắn bị đốt nóng cục bộ. Nếu lớp chất lỏng phía trên cũng được q nhiệt một chút thì các bọt hơi sẽ chuyển động tới mặt thoáng

và nổ do độ chênh áp suất của hơi trong bọt hơi và áp suất trên mặt thoáng. Khi

các bọt hơi nổ, hơi được thốt ra.

Đường kính bọt hơi khi tách khỏi bề mặt đốt nóng gọi là đường kính tách ly (Đặng Quốc Phú & cs., 2004). t f h D 0, 0208 g( )       (4.11) Trong đó:

θ- góc dính ướt của chất lỏng với bề mặt vật rắn đo bằng độ góc (hình 4.3).

Khi khi θ < π/2 chất lỏng dính ướt bề mặt, θ > π/2 chất lỏng khơng dính ướt bề mặt.

g- gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2;

68

a) Chất lỏng khơng dính ướt bề mặt b) Chất lỏng dính ướt bề mặt

Hình 4.3. Sự lớn lên và tách ly các bọt hơi

Nguồn: Đặng Quốc Phú & cs. (2006)

Khi một bọt hơi nào đó tách khỏi bề mặt thì lập tức tại đó lại xuất hiện một bọt hơi mới.

Khoảng thời gian tách ly của hai bọt hơi liên tiếp tại cùng một tâm sinh hơi gọi là chu kỳ sinh hơi τ(s). Đại lượng nghịch đảo của chu kỳ sinh hơi gọi là tần số sinh hơi f.

1 f 

 , 1/s (4.12)

Giữa đường kính tách ly bọt hơi và tần số sinh hơi có quan hệ với nhau, nếu đường kính tách ly bọt hơi lớn thì tần số sinh hơi sẽ nhỏ và ngược lại.

Một cách gần đúng thì quan hệ giữa tần số sinh hơi và đường kính tách ly bọt hơi có thể viết:

f dt = const (4.13)

Tích f. dt phụ thuộc vào từng loại chất lỏng. Thí dụ: Đối với nước f.Dt = 155 mm/s Freon 12 f.Dt = 64 mm/s.

Q trình sơi trên bề mặt vật rắn có thể phân thành sơi bọt và sơi màng. Khi các bọt hơi được hình thành một cách riêng biệt ta có sơi bọt. Khi các bọt hơi sinh ra liên kết với nhau thành một màng hơi ta có sơi màng.

Chế độ sôi bọt, sôi màng phụ thuộc vào cơng suất nhiệt, độ chênh nhiệt độ, tính dính ướt của chất lỏng,...

So sánh hệ số tỏa nhiệt khi sơi với hệ số tỏa nhiệt khi khơng có hiện tượng sơi ta thấy hệ số tỏa nhiệt khi sôi lớn hơn khi khơng sơi rất nhiều. Điều này có thể giải thích như sau: khi có hiện tượng sơi, lớp chất lỏng ở sát bề mặt đốt nóng bị xáo trộn mạnh do sự hình thành và tách ly các bọt hơi, do đó cường độ trao đổi nhiệt tăng và hệ số tỏa nhiệt tăng.

69

Giữa hai chế độ sơi thì sơi bọt có hệ số tỏa nhiệt lớn hơn sơi màng bởi vì khi sơi màng, màng hơi phủ trên bề mặt nóng có nhiệt trở lớn làm cản trở sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng. Vì vậy, trong các thiết bị trao đổi nhiệt người ta mong muốn duy trì chế độ sơi bọt.

4.1.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến tỏa nhiệt khi sơi

Q trình trao đổi nhiệt khi sôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ quá nhiệt t = tw - ts, góc dính ướt , áp suất hóa hơi, sức căng bề mặt của chất lỏng, độ nhớt của chất lỏng, trạng thái bề mặt bị đốt nóng.

a. Ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ ∆t = tw - ts

Ứng với p đã cho, độ chênh lệch nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tỏa nhiệt khi sơi. Ảnh hưởng này có thể thấy rõ trên đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của α và

q vào ∆t trong q trình sơi (hình 4.4).

Hình 4.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của α và q vào ∆t

Nguồn: Bùi Hải & Trần Thế Sơn (2015)

Từ đồ thị ta thấy:

Khi độ chênh nhiệt độ này nhỏ (t < 5oC) hệ số tỏa nhiệt được xác định

bằng điều kiện trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên của chất lỏng một pha (đoạn AB). Khi tăng t, bán kính Ro, giảm, số các phần tử được dùng làm tâm sinh hơi tăng, số bọt hơi sinh ra nhiều do đó hệ số tỏa nhiệt tăng (đoạn BK) ta có chế độ sơi bọt.

Khi tiếp tục tăng t, số các bọt hơi được hình thành nhiều, các bọt hơi này liên

kết với nhau thành một màng, ta có chế độ sơi màng hệ số tỏa nhiệt giảm đáng kể. Điểm K trên đô thị là điểm chuyển từ chế độ sôi bọt sang chế độ sôi màng gọi là điểm tới hạn, các thông số ứng với điểm tới hạn gọi là các thông số tới hạn. Trị số t, , q tương ứng với thời điểm chuyển từ chế độ sôi bọt sang sôi màng gọi là

70

các giá trị tới hạn. Việc xác định các giá trị tới hạn có một ý nghĩa lớn trong kỹ thuật. Ở các thiết bị sôi và bay hơi ta ln mong muốn chế độ sơi có hệ số tỏa nhiệt lớn đó là chế độ sơi bọt, vì thế cần chọn t < tth tới hạn.

a) chế độ sôi bọt b) chế độ sôi ở điểm tới hạn c) chế độ sôi màng

Hình 4.5. Các chế độ sơi

Nguồn: Đặng Quốc Phú & cs. (2006)

Cùng với sự thay đổi hệ số tỏa nhiệt  theo t, mật độ dòng nhiệt trao đổi

giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng sôi q cũng thay đổi. Ở chế độ sôi bọt  tăng nên q cũng tăng. Ở chế đồ sơi màng  giảm sau đó ổn định, mật độ dịng nhiệt giảm nhưng sau đó lại tăng vì khi t khá lớn thì trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng tăng. vì thế cần chọn q < q th tới hạn (Bùi Hải & cs., 2001). Hình ảnh các chế độ sơi trên hình 4.4 (Đặng Quốc Phú & cs., 2006; Михеев & Михеева, 1977).

b. Ảnh hưởng của tính dính ướt của chất lỏng

Tính dính ướt của chất lỏng được thể hiện qua góc dính ướt. Khi θ > π/2 chất lỏng khơng dính ướt bề mặt, các bọt hơi có chân rộng, đường kính tách ly bọt hơi lớn, các bọt hơi không tách khỏi bề mặt, dễ dàng liên kết với nhau thành màng hơi, ta có chế độ sơi màng, hệ số tỏa nhiệt bé.

Ngược lại, nếu chất lỏng dính ướt tốt với bề mặt đốt nóng, các bọt hơi có chân bền, đường kính tách ly bọt hơi nhỏ. Các bọt hơi dễ tách khỏi bề mặt đốt nóng, ta có chế độ sơi bọt, hệ số tỏa nhiệt lớn. Đối với chất lỏng dính ướt bề mặt, chế độ sơi màng chỉ có thể xảy ra khi ∆t >∆tth.

c. Ảnh hưởng của áp suất p

Với trị số ∆t cho trước, việc thay đổi p sẽ dẫn đến sự thay đổi các đại lượng ρh, λ, r, σ làm thay đổi Ro và do đó α cũng sẽ thay đổi. Tuy sự thay đổi của ρh, λ, r, σ khác nhau trong từng khoảng giá trị của p, nhưng nói chung khi tăng p thì

71

đều dẫn đến giảm Ro, nghĩa là khi tăng p, số tâm sinh hơi tăng, số bọt hơi sinh ra nhiều, do đó hệ số tỏa nhiệt α tăng.

Khi chất lỏng sôi ở áp suất p < 1 bar, q trình sơi có nhiều đặc điểm mới. Khi ∆t>5K, chế độ sơi đối lưu có thể vẫn tồn tại. Hệ số tỏa nhiệt khi sôi ở p < 1 bar nhỏ hơn hệ số tỏa nhiệt khi sôi ở p > 1 bar. Nhưng do sôi ở áp suất thấp, nhiệt độ sơi sẽ thấp, như vậy có thể sử dụng hơi áp suất thấp hoặc hơi thứ cấp trích từ các bình sinh hơi làm việc với áp suất cao để gia nhiệt, vì vậy, các thiết bị bay hơi làm việc với p < 1 bar vẫn được sử dụng.

d. Ảnh hưởng của tính chất vật lý của chất lỏng

Các đại lượng vật lý có ảnh hưởng nhiều đến hệ số tỏa nhiệt khi sôi là sức căng bề mặt σ, độ nhớt động lực µ, hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt hóa hơi r.

Chất lỏng có sức căng bề mặt lớn thì Ro và Dt sẽ lớn, số tâm sinh hơi và tần

số sinh hơi nhỏ, do đó hệ số tỏa nhiệt α bé. Theo thực nghiệm α  σ -0,33

Chất lỏng có độ nhớt động lực µ lớn, chuyển động của nó bị cản trở nhiều,

do đó hệ số tỏa nhiệt nhỏ α  µ-0,45.

Chất lỏng có λ lớn, tốc độ lớn lên của các bọt hơi lớn, hệ số tỏa nhiệt lớn. Chất lỏng có nhiệt hóa hơi lớn, Ro sẽ nhỏ, số tâm sinh hơi nhiều, hệ số tỏa nhiệt lớn.

e. Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt đốt nóng

Nếu bề mặt đốt nóng có độ nhám lớn, số phần tử được dùng làm tâm sinh hơi nhiều, do đó hệ số tỏa nhiệt sẽ lớn. Khi trộn bề mặt đốt nóng có một lớp oxit, lớp oxit này sẽ làm tăng độ nhám của bề mặt, do đó hệ số tỏa nhiệt sẽ tăng.

Nhưng cần lưu ý là khi trên bề mặt đốt nóng có một lớp oxit, một mặt lớp oxit này làm tăng độ nhám do đó làm tăng α mặt khác lớp oxit này lại làm tăng nhiệt trở dẫn nhiệt do đó cường độ trao đổi nhiệt giảm và hệ số tỏa nhiệt sẽ giảm.

Tuy nhiên ảnh hưởng của lớp oxit còn phụ thuộc vào phụ tải nhiệt. Khi q ≤ 2.105

W/m2 thì tác dụng làm tăng độ nhám của lớp oxit sẽ lớn nhưng khi q lớn thì tác

dụng làm tăng nhiệt trở của lớp oxit sẽ lớn.

4.1.3.3. Một số cơng thức tính tốn tỏa nhiệt khi sơi

Tính tốn tỏa nhiệt khi sơi là một bài tốn phức tạp vì tỏa nhiệt khi sơi phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố, khó có khả năng thiết lập được cơng thức tính tốn chung cho mọi trường hợp tỏa nhiệt khi chất lỏng sôi. Phương pháp thực nghiệm

72

vẫn là phương pháp có hiệu quả nhất trong nghiên cứu tỏa nhiệt khi sôi. Các kết quả nghiên cứu có thể biểu diễn dưới dạng phương trình tiêu chuẩn và trong nhiều trường hợp có thể biểu diễn dưới dạng tường minh. Dưới đây, giới thiệu một số kết quả nghiên cứu xác định hệ số tỏa nhiệt khi sôi.

a. Tỏa nhiệt khi sôi bọt trên bề mặt vật rắn

Theo các số liệu thực nghiệm, đối với nhiều chất lỏng khác nhau khi sôi bọt trong điều kiện chuyển động tự nhiên, hệ số tỏa nhiệt trên bề mặt vật rắn được xác định bằng phương trình tiêu chuẩn sau (Đặng Quốc Phú & cs., 2006):

3 f f 2/3 f f f h t Nu 3, 91.10 ( ) Pr r       (4.14) Khi: f f 1/3 f f h t Pr 1, 6 r      3 f f 1,86 0,95 f f f h t Nu 2, 63.10 ( ) Pr r      (4.15) Khi: f f 1/3 f f h t Pr 1, 6 r      Trong đó: Nuf- hệ số Nussel; f- hệ số dẫn nhiệt, W/m.oC; f- độ nhớt động học của dung dịch, m2/s;

ρh- khối lượng riêng của hơi nước, (kg/m3);

r- nhiệt ẩn hố hơi của dung mơi, kJ/kg;

tf- hiệu số nhiệt độ vách ống và nhiệt độ sôi của dung dịch, oC.

tf = tw - ts (4.16)

tw- nhiệt độ vách ống đun sôi,oC;

ts- nhiệt độ sôi của dung dung dịch mật,oC.

Hệ số Nu được tính theo cơng thức:

w f f . Nu   (4.17)

73 Trong đó:

- hê số toả nhiệt, W/m2.độ;

ℓw- kích thước đặc trưng của ống.

b. Tỏa nhiệt khi chất lỏng sôi chuyển động trong ống

Khi chất lỏng chuyển động trong ống, hệ số tỏa nhiệt khi sôi không chỉ phụ thuộc vào phụ tải nhiệt q mà còn phụ thuộc vào tốc độ chuyển động. Trong trường hợp này, hệ số tỏa nhiệt được xác định theo công thức (Đặng Quốc Phú & cs., 2006): w dl dl 1       (4.18) Trong đó:

αw - hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dòng chất lỏng chuyển động trong ống khi sôi; α- hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dịng chất lỏng khơng chuyển động trong ống