Operaii cu schimbarea starii fizice a materialelor Fierberea/Evaporarea

Manuela Cristiana LazrGrupa

CuprinsIntroducere1.FierbereaDescriereModuri de vaporizareInfluenta presiuniiFierberea lichidelorAplicatii2.EvaporareaMetode de evaporareFactori care influenteaza evaporare

Bibliografie

Introducere

Materiile prime sunt transformate in produse finite printr-o succesiune de operatii fizice , mecanice , chimice , biochimice si combinate . Se inteleg prin operatii o activitate desfasurate fie de un om sau un grup de oameni , fie de o masina , in vederea atingerii unui obiectiv . Ansamblul operatiilor care concura la fabricarea unui anumit produs produs tehnologic . In functie de scopul urmarit operatiile se impart in 5 clase : - operatii de pregatire operatii principale prin care materiile prime sunt transformate in semifabricate sau in produse brute operatii de finisare - prelucreaza semifabricatele si produsele brute obtinandu-se produs finit comercializat operatii de prelucrare a subproduselor si a deseurilor operatii auxiliareOperatiile care apartin mai multor procese tehnologice si care de multe ori se repeta in cadrul aceluiasi proces tehnologic poarta numele de operatii unitare sau operatii tip . Din punnct de vedere al modului in care se actioneaza asupra substantelor si materialelor operatiile tip se impart in : operatii cu schimbarea starii fizice ( operatii cu schimbare de faza ) : - fierberea- topireasolidificarea- evaporareacondensarea- sublimarea operatii de amestecare si aglomerare : - amestecare- framantarea ( malazarea )- aglomerare - brichetarea- presarea - dizolvarea- agitarea operatii de divizare si separare : - taiere- spargere- maruntire- macinare- zdrobire- cernere- sortare si calibrare- sedimentarea- decantare- filtrare- centrifugare- stoarcere- distilare- extractie- rectificare- uscare- cristalizare- separare pneumatica sau electrostatica operatii chimice si biochimice : - fermentare- maturare- acidulare- pasteurizare- sterilizare- neutralizare1.Fierberea

Fierberea (denumit i ebuliie sau ebuliiune) este procesul de trecere a unui lichid n stare de vapori, prin formarea, sub aciunea cldurii, n ntreaga mas a lichidului, a unor bule de vapori care se ridic la suprafa. Temperatura de fierbere este cea la care presiunea vaporilor si este egal cu presiunea la care este supus lichidul. Aceast temperatur, numit i punct de fierbere, crete odat cu creterea presiunii. Temperatura de fierbere la presiune normal se numete temperatur normal de fierbere. n tabelele termodinamice, presiunea i temperatura corespunztoare fierberii sunt denumite presiune de saturaie, respectiv temperatur de saturaie.Clasificarea proceselor de fierbere

Fierberea, n functie de locul de amorsare a procesului poate fi: fierbere de suprafa sau fierbere n volum (global). Fierberea de suprafa este procesul n care formarea vaporilor se face la o suprafa solid nclzit cu care lichidul vine n contact. Fierberea n volum se realizeaz n toat masa de lichid, de obicei prin expandarea (micorarea presiunii) acestuia. n prezenta lucrare vom discuta numai despre fierberea de suprafa. n funcie de deplasarea sau absena curgerii fluidului fierberea poate fi: fierbere n volum mare (cu convecie liber) sau fierbere cu convecie forat. Fierberea n volum mare se produce pe suprafee nclzire care vin n contact cu un lichid staionar. Fierberea cu convecie forat apare ntr-un canal nclzit prin care lichidul, apoi amestecul bifazic curg. n funcie de mecanismul procesului de fierbere se disting: fierberea nucleic si fierberea pelicular. n cazul fierberii nucleice pe suprafaa de schimb de cldur se formeaz bule de vapor care cresc, se desprind de suprafa i se deplaseaz n masa de fluid, transferul de cldur fiind foarte intens. La fierberea pelicular pe suprafaa de transfer de cldur se formeaz o pelicul de vapori. n funcie de temperatura n stratul limit fierberea poate fi: la saturaie sau subrcit. n primul caz ntregul volum de lichid se afl la temperatura de saturaie, n cel de al doilea caz , fierberea se produce numai n stratul limit de lng perete, unde temperatura depete temperatura de saturaie, n restul lichidului temperatura fiind inferioar celei de saturaie.

Fierberea la saturaie

Fierberea subracire

Descriere

La nclzirea unui lichid acesta i pstreaz starea lichid pn la atingerea temperaturii de fierbere. Mrind n continuare temperatura, se formeaz prima bul de vapori, iar apoi din ce n ce mai multe. Deoarece densitatea vaporilor este mai mic dect a lichidului, ntr-un cmp de fore, de exemplu cmpul gravitaional, sub aciunea forelor arhimedice bulele se ridic la suprafa, aprnd o suprafa de separaie ntre fazele de lichid i vapori. Aceast suprafa de separaie a fazelor este definitorie pentru fenomenul de fierbere. Dac n timpul procesului de fierbere presiunea la care este supus amestecul (separat sau nu) de lichid i vapori rmne constant, atunci i temperatura la care se produce fierberea rmne constant. Continund creterea temperaturii lichidului, la un moment dat toat cantitatea de lichid s-a transformat n vapori, care ns sunt nc la temperatura de saturaie, vaporii fiind numii vapori saturai uscai. Ca urmare, n timpul procesului de fierbere, se consider c exist un amestec de lichid la temperatura de saturaie i vapori saturai uscai.

Moduri de vaporizare

n timpul fierberii vaporizarea se poate face n dou moduri de baz, cu un regim de tranziie ntre ele:

Vaporizare cu bule, n care pe suprafaa care cedeaz cldur lichidului apar mici bule care la un moment dat se desprind i cresc, ridicndu-se la suprafa. Numrul de puncte n care apar bule (centre de nucleaie) depinde de temperatura suprafeei i de rugozitatea ei o suprafa rugoas ofer mai multe centre dect una neted. Pentru suprafee extrem de netede lichidul poate fi adus la o temperatur ceva mai mare dect temperatura de saturaie (lichid supranclzit), ns n momentul n care bulele ncep s se formeze urmeaz o degajare de bule foarte violent.Vaporizare pelicular (n film), n care, cnd suprafaa de nclzire atinge o anumit temperatur (relativ mare), formarea vaporilor este contin pe toat suprafaa, ntre suprafa i lichid aprnd un film de vapori continuu. Deoarece vaporii au o conductivitate termic mic, ei izoleaz lichidul i reduc fluxul termic. Pentru un flux termic dat, temperatura suprafeei de nclzire poate crete mult, putnd aprea avarii dac n-a fost conceput s lucreze n acest regim.Vaporizarea de tranziie este un regim instabil ntre vaporizarea cu bule i vaporizarea pelicular.Formarea bulelor de lichid este in fenomen complex, care adesea includ fenomene acustice i de cavitaie.

Influenta presiunii

Transformarea de faz prin fierbere poate avea loc doar ntr-un anumit interval de presiuni. Presiunea minim corespunde presiunii punctului triplu, n care fazele solid, lichid i gazoas sunt n echilibru (n diagrama p-T alturat n dreptul sgeii albastre), iar presiunea maxim corespunde punctului critic (n diagrama p-T alturat n dreptul sgeii roii). n aceast figur fierberea are loc n direcia sgeii verzi, la trecerea peste curba care unete cele dou puncte. Ocolirea acestei curbe se poate face prin ambele capete, sgeata albastr indicnd un proces de liofilizare, iar cea roie unul de vaporizare supracritic.

ntr-o diagram p-V[5] (vezi diagramele p-V alturate) vaporizarea se petrece n zona colorat n albastru deschis. n partea din stnga (A) este zona lichidului, n dreapta (B) este zona vaporilor. Pentru o anumit izoterm, figurat cu albastru, procesul de vaporizare se produce de-a lungul liniei (d). Teoretic, acest proces ar trebui s se produc de-a lungul curbelor (f) i (g), ns aceste stri sunt instabile. Poriunile orizontale pot aprea doar pe izotermele care se afl sub izoterma critic, care trece prin punctul critic (K). Pentru presiuni deasupra punctului K, transformarea din lichid n vapori (creterea de volum de la volumul lichidului la cel al vaporilor) se face printr-un proces continuu, fr s apar o suprafa de separaie ntre lichid i vapori i fr apariia unor bule de vapori, ca urmare la presiuni supracritice noiunea de fierbere i pierde sensul.Fierberea sub presiune este un fenomen periculos. Vasele sub presiune trebuie s fie rezistente, deoarece n caz c se sparg, fenomenul este foarte asemntor cu o explozie. Chiar dac vasul rezist i apare doar un orificiu, prin scparea vaporilor presiunea scade, lichidul devine supranclzit prin scderea temperaturii de saturaie conform presiunii, se produce o degajare de bule violent care umfl lichidul i-l arunc afar prin orificiu. n afar de pierderea coninutului vasului, jetul de lichid supranclzit poate produce accidente. Instalaiile industriale care funcioneaz sub presiune sunt supuse inspeciilor i aprobrilor din partea Inspeciei de Stat pentru Controlul Cazanelor, Recipientelor sub Presiune i Instalaiilor de Ridicat (ISCIR).

Fierberea lichidelor n procesul de fierbere, pe suprafaa de nclzire se formeaz vapori care pot fi ndeprtai sub aciunea forelor arhimedice sau a lichidului n micare. Atunci cnd suprafaa de nclzire se afl imersat ntr-un lichid n repaus, are loc fierberea n volum mare, iar cnd lichidul se deplaseaz, sub influena unor fore exterioare, n interiorul unei conducte nclzite, are loc fierberea la curgere forat. Fierberea n volum mare Se consider un bazin umplut cu ap avnd pereii izolai termic, pe fundul cruia este prevzut o plac de nclzire (ex. o plit electric care cedeaz cldur prin efect Joule Lentz). Ipoteze: ww = 0 Schita Bazinuluit p > tw q> 0 n funcie de valorile temperaturii plcii calde i a apei din bazin, precum i de diferena dintre acestea, denumit exces de temperatur (= t p tw ), se disting urmtoarele moduri de transfer de cldur ntre placa cald i fluid (ap). I- Convecie liber: att temperatura plcii calde ct i cea a apei sunt mai mici dect temperatura de saturaie. ttw p < ts tw < t p < ts < ts II- Fierbere globular la subrcire (local): temperatura plcii calde devine mai mare dect temperatura de saturaie n timp ce apa rmne n stare subrcit (temperatura ei este mai mic dect cea de saturaie). ttwp >< tts s tw < ts < t p La suprafaa plcii calde se formeaz bule de vapori care, dup desprindere, condenseaz nainte de a ajunge la suprafaa liber a apei din bazin. Transferul de cldur este intens datorit efectului de pompaj exercitat de bulele de vapori asupra lichidului adiacent plcii. III- Fierbere globular la saturaie: temperatura apei ajunge la valoarea de saturaie. ttwp >= ttss tw = ts < t p Bulele de vapori formate la suprafaa plcii calde se desprind i ajung pn la suprafaa liber a apei. Pentru valori mici ale excesului de temperatur , bulele urc individual ctre suprafaa liber. Cu ct excesul de temperatur crete, cu att frecvena de formare a bulelor se mrete, ajungnd ca acestea s se uneasc i s formeze coloane de vapori ntre plac i suprafaa liber. Creterea n continuare a excesului de temperatur conduce la formarea pe suprafaa plcii calde a unui strat de vapori aproape continuu care are ca efect nrutirea transferului de cldur. Atunci cnd stratul de vapori ajunge s acopere n ntregime suprafaa plcii calde, fluxul termic transferat atinge un maxim, numit flux critic, corespunztor unui exces de temperatur critic cr . Creterea fluxului termic peste valoarea critic poate duce la distrugerea suprafeei de nclzire prin cretere rapid a temperaturii acesteia pn la punctul de topire al materialului plcii. Acest fenomen poart denumirea de criz a fierberii. IV- Fierbere pelicular instabil (de tranziie): temperatura plcii calde depete valoarea critic corespunztoare excesului de temperatur critic. ttwp >= tts pcr tw = ts < t pcr < t p Stratul de vapori care acoper suprafaa plcii se distruge i se reface periodic dnd procesului un caracter de instabilitate termic i dinamic. Fluxul de cldur transferat se reduce n intensitate. V- Fierbere pelicular stabil: valoarea excesului de temperatur se mrete iar la suprafaa plcii calde stratul de vapori nu se mai distruge. ttwp >>= ts t pcr tw = ts < t pcr >>= ts t pcr tw = ts < t pcr