Уравнения теплоотдачи при кипении жидкостей существенно различаются в зависимости от вида термомеханического режима этого энергоемкого гетерогенного процесса, сопровождающегося фазовым превращением. По характеру и интенсивности кипения различают три основных режима процесса: пузырьковый; пузырчато-пленочный и пленочный. В химической технологии наибольшее применение нашел первый режим, обеспечивающий более высокую интенсивность теплообмена.
Для пузырькового режима кипения в большом объеме коэффициент теплоотдачи от поверхности горизонтальных трубок пучка рассчитывается по следующей зависимости [2, с. 165]:
где b – коэффициент, равный
l – коэффициент теплопроводности жидкой фазы при температуре кипения,
n – коэффициент кинематической вязкости жидкости при этой же
температуре, м2/с;
s– поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и паром при температуре кипения, Н/м;
Ткип – температура кипения, °К;
q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м;
rп, rж – соответственно плотности паровой и жидкой фаз, кг/м3.
В рассматриваемом случае Ткип = t2 = 110 °С = 383°К, так как при определении значения коэффициента теплопередачи за жидкую фазу принимается флегма, уходящая из испарителя, а она находится в равновесии с паром при температуре t2 = 110°C.
Плотность паровой фазы определим по уравнению Менделеева-Клайперона:
где r0 – плотность пара при нормальных условиях, кг/м3;
То – 273 °К;
Р = 1200 мм.рт.ст. – давление в испарителе;
Р0 = 760 мм.рт.ст.
После подстановки всех величин в формулу получим:
Плотность жидкости, уходящей из испарителя, определяем по уравнению:
где x01 = 0,048; х02 = 0,952 – содержание уксусной кислоты и воды в уходящей из испарителя жидкости, % масс;
р01 = 940 кг/м3; р02 =950,5 кг/м3 – их плотности при t2 = 110 °С [1,с. 804]
Коэффициент теплопроводности жидкой фазы определяется по правилу аддитивности:
где l1 = 0,153 ; l2 = 0,683 – коэффициенты теплопроводности уксусной кислоты и воды при t2 = 110 °С [ 1, с. 810].
Коэффициент динамической вязкости m определяем по уравнению:
где х01’ = 0,048; х02 = 0,952 – мольные доли уксусной кислоты и воды в жидкости, уходящей из испарителя;
m1 = 0,415×10-3 Па×с; m2 = 0,258×10-3 Па×с – их динамические вязкости при t2 = 110 °С [1, с. 806].
Тогда кинематическая вязкость жидкой смеси определяется как
Поверхностное натяжение на границе раздела пар – жидкостьопределим по уравнению:
где s1 = 18,9×10-3 Н/м2; s2 = 56,9 ×10-3 Н/м2 – поверхностные натяжения уксусной кислоты и воды при t2 = 110 °C [1, с. 812].
Коэффициент теплоотдачи определим после предварительного расчета коэффициента b .
Тогда
Коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости, как функция удельной тепловой нагрузки испарителя, определяется по формуле