základy procesního inženýrství - Vysoká škola báňská - Technická ...

4 Sdílení tepla
4.3. Přestup tepla se změnou fáze
Čas ke studiu: 3 hodiny
Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět
• rozlišit kvalitativní režimy varu a kondenzace a vysvětlit jejich příčiny
• charakterizovat typické znaky zařízení pro var, kondenzaci, odpařování
• vysvětlit rozdíly krystalizace z roztoků a tavenin
Výklad
Přestup tepla se změnou fáze je v určitém směru jednodušší než přestup tepla v jednofázové tekutině.
Ukážeme si to nejprve na příkladu varu kapaliny a kondenzace páry; ostatní operace sdílení tepla se
změnou fáze mají většinou podobné znaky a o jejich zvláštnostech se zmíníme v dalších odstavcích.
Var
Při varu se zpravidla teplo dodává do kapaliny od teplejší stěny; toto teplo se přenáší kapalinou
vedením nebo konvekcí k fázovému rozhraní, na němž je teplota rovna právě teplotě varu. Teplo se
zde spotřebovává na přeměnu fáze a vzniká pára v množství, úměrném tomuto teplu. Protože tepelná
vodivost v parách je mnohem menší než v kapalinách a také konvektivní sdílení tepla v parní fázi je
pomalejší, není obvyklé dodávat teplo na odpařování přes páru. (Je to vhodné jen tehdy, pokud z nějakého
jiného zdroje máme k dispozici páru o vysoké enthalpii – tlakovou anebo přehřátou).
Režim varu
Aby se teplo dostalo od stěny k fázovému rozhraní, musí být teplota stěny T S vyšší než je teplota varu
T V a v těsné blízkosti stěny tedy bude kapalina přehřátá. Tím nastává nestabilní situace a tomu
odpovídá i několik režimů varu:
Odpařování (z hladiny) je typické pro malé toky tepla, při kterých se teplo od teplejší stěny až
k hladině dopravuje vedením, a případně i volnou konvekcí. Děje se to při tepelných tocích do zhruba
q < 10 4 W m -2 , a rozdíl teploty stěny a teploty varu v tomto případě bývá malý, asi T S -T V < 5K.
Odpařování se na pohled neprojevuje žádnými zvláštními efekty. Proč zde nevznikají bubliny? Jednak
při obvyklém ohřevu odspoda přibývá v kapalině u dna hydrostatický tlak, takže je tu i vyšší teplota
varu než u hladiny (1 m sloupce vody zvyšuje její teplotu varu o asi 3 K), jednak při zvětšování bubliny je
nutno překonávat sílu povrchového napětí.
Je-li rozdíl teploty stěny a teploty varu asi 8 K < T S -T V < 20 K (tepelný tok v rozmezí
10 4 < q