ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ. ГАЗОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ

Для понимания процессов в тепловых трубах и проведения расчетов важно иметь сведения о следующих процессах тепло- и массообмена: испарении с поверхности фитилей, кипении жидкости в фитилях, конденсации на поверхности жидкости при отсутствии неконденсирующихся газов и наличии их в паровом пространстве тепловой трубы, теплопроводности в насыщенных жидкостью фитилях.

Процессы испарения с поверхности жидкости и конденсации пара на такой поверхности являются динамическими и должны рассматриваться с кинетических позиций. В условиях термодинамического равновесия фаз поток молекул, испаряющихся с поверхности, равен потоку молекул, захватываемых этой поверхностью, «конденсирующихся» на ней. В общем случае не все молекулы, соударяющиеся с поверхностью, удерживаются ею. Часть молекул может отражаться обратно в пар. Доля молекул, конденсирующихся при соударении с поверхностью, отнесенная ко всем молекулам, претерпевшим соударение, получила название коэффициента конденсации (в условиях испарения применяется также термин коэффициент испарения). Видимый процесс испарения или конденсации — следствие отклонения от условий равновесия, когда нарушается равенство потоков испарения или конденсации (рис. 3.1). При этом температура на поверхности жидкости отличается от температуры насыщения пара над этой поверхностью, т. е. имеется скачок температуры на границе фазового перехода. Имеется и скачок давления, который определяется балансом сил и не соответствует скачку давления, найденному по температурам с использованием связи в состоянии насыщения.

Исходя из газокинетических представлений, некоторые исследователи предложили теоретические зависимости для описания процессов конденсации (испарения) на плоской поверхности жидкости (1—7]. Рассматривались главным образом «медленные» процессы фазового перехода, т. е. такие, при которых отклонения от равновесия сравнительно невелики, а результирующий поток при фазовом переходе много меньше составляющих динамических процессов испарения и конденсации. Для медленных испарения и конденсации, согласно работе [6], в которой рассмотрена наиболее строгая модель процесса, массовая скорость фазового перехода может быть представлена в виде

Из формулы (3.3) видно, что скорость испарения при фиксированной температуре поверхности жидкости не может быть сколь угодно большой, а имеет предел, который существенно зависит от коэффициента испарения /.

Коэффициент испарения (конденсации) сильно зависит от наличия загрязнений на поверхности жидкости. Поверхностные загрязнения могут уменьшить его в сотни и даже тысячи раз. Приведем такой пример. Измеряя скорость испарения капли ртути в вакууме при температуре около 16° С, Кнудсен (8] в первых опытах получил. Предположив, что причиной столь низкого коэффициента испарения являются загрязнения ртути, а именно вакуумная смазка, он принял дополнительные меры для очистки ртути и аппаратуры от загрязнений и получил 1/9. Затем, чтобы получить значения коэффициента испарения для возможно более чистой ртути, Кнудсен провел опыты с постоянно обновляемой поверхностью ртути. И в этих опытах наконец получил, что коэффициент испарения близок к единице.

Значения коэффициента испарения (конденсации) для чистых веществ меняются в широких пределах. В рассматриваемом случае использования жидкостей в тепловых трубах кинетические эффекты испарения и конденсации могут представлять интерес лишь для жидкометаллических теплоносителей. Многочисленными опытами различных авторов по испарению и опытами авторов книги по конденсации лития, натрия, калия и ртути [9] показано, что для чистой поверхности жидкого металла коэффициент испарения (конденсации) близок к единице.

Отток вещества при испарении и торможение пара при конденсации ведут к тому, что на границе раздела фаз появляется импульс силы — межфазный скачок давления вследствие фазового перехода. Это давление при фазовом переходе может быть представлено формулой

Ивановский М. Н., Сорокин В. П., Ягодкин И. В. Физические основы тепловых труб.—М.: Атомиздат, 1978