Материал: Теоретические основы теплотехники 2

В этих формулах в качестве определяющей температуры принята тем-

пература жидкости вдали от тела (t0=const.); в качестве определяющего ли-

нейного размера – длина пластины по направлению потока.

7. Теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости

Опыт показывает, что температура кипящей жидкости всегда несколь-

ко выше температуры кипения ts. Она остается почти постоянной в направле-

нии от свободного уровня к поверхности теплообмена (рис. 14) и лишь в слое толщиной 2 – 5 мм у самой стенки резко возрастает. Следовательно, в при-

легающем к стенке слое жидкость перегрета на Δt=t – ts; эта величина назы-

вается температурным напором.

Рис. 14. Кривая распределения температуры в жидкости при пузырьковом кипении

61

В начале кипения -область А (Рис. 15) при Δt = 0 - 5 ºС, q= 100 – 5600

Вт/м2 значение коэффициента теплоотдачи невелико и определяется услови-

ями свободной конвекции однофазной жидкости.

При дальнейшем кипении и повышении Δt значения коэффициентов теплоотдачи и q резко увеличиваются и при Δt =25 ºС достигают своего мак-

симального значения: αкр=5,85·104 Вт/(м2·К), qкр=1,45·106Вт/м2. Эту область,

обозначенной на рис. 15 буквой В, называют областью пузырькового кипе-

ния.

Рис. 15. Зависимость плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи α от температурного напора при кипении воды при атмо-

сферном давлении

Последующее повышение Δt приводит к еще более интенсивному процессу образования пузырьков на твердой поверхности. Сливаясь затем между собой, они образуют общую паровую пленку. Образование паровой пленки приводит к резкому снижению интенсивности теплообмена между поверхностью и жидкостью, вследствие большого термического сопротивле-

ния пленки. Эта область, обозначена на рис. 15 буквой С и называется пере-

ходной областью. Следует отметить, что паровая пленка в этой области не-

устойчива.

62

При дальнейшем увеличении перепада температур образовавшаяся на поверхности пленка становится устойчивой, интенсивность теплообмена продолжает падать. При некотором значении перепада температур процесс теплообмена стабилизируется, а коэффициент теплоотдачи имея при том ми-

нимальное значение, не зависит от перепада температур. Эта область обозна-

чена на рис. 15 буквой D и называется областью пленочного кипения.

В практических расчетах пузырькового кипения воды удобно пользо-

ваться следующими уравнениями:

Зависимости (141) и (142)действительны в диапазоне давлений от 0,1

до 5 МПа.

При пузырьковом кипении фреона 12 в диапазоне температур от – 40 до

10 ºС для определения α рекомендуется формула

При кипении фреона 11 может быть использована зависимость

В этих уравнениях q – в Вт/м2, р – в МПа, коэффициент теплоотдачи –

Вт/(м2·К). При вынужденном турбулентном движении кипящей жидкости в трубах теплоотдача осуществляется по-разному. Если обозначить коэффици-

ент теплоотдачи, полученный по формуле (141), αq, а коэффициент теплоот-

дачи, рассчитанный по уравнению подобия для однофазной жидкости (130 ),

αw, то, как показывают опыты, при αq /αw<0,5 коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении движущейся воды в трубе α=αw а при αq/αw>2; α=αq. В

области 0,5 ≤ αq/αw ≤2 коэффициент теплоотдачи определяют по формуле

63

При пленочном кипении средний коэффициент теплоотдачи определя-

ется следующим образом:

на вертикальной поверхности

где λп – коэффициент теплопроводности пара при температуре насыщения; μп – динамический коэффициент вязкости пара при температуре насыщения; h – высота стенки,

на горизонтальном цилиндре

где d – наружный диаметр цилиндра; ρ – плотность жидкости при температу-

ре насыщения.

8. Теплообмен при конденсации чистого пара

При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже тем-

пературы насыщения ts, пар конденсируется в зависимости от состояния по-

верхности стенки; образовавшаяся жидкость может принимать форму капель или пленки. В соответствии с этим конденсация пара называется капельной и пленочной.

Капельная конденсация происходит в условиях естественного движе-

ния, когда конденсат не смачивает поверхности стенки. Это обычно наблю-

дается на поверхности стенок, покрытых тонким слоем масла, керосина или жирных кислот. При капельной конденсации теплоотдача в 5 – 10 раз выше,

чем при пленочной. Однако пленочная конденсация имеет наибольший прак-

тический интерес, поскольку она встречается преимущественно в различного

64

рода промышленных теплообменных аппаратах. Предполагается, что при ла-

минарном движении пленки конденсата теплота передается через слой плен-

ки теплопроводностью.

В результате обобщения экспериментальных данных, полученных для различных жидкостей, предлагаются следующие расчетные формулы для определения среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара и ламинарном движении пленки:

для вертикальной стенки или трубы высотой h

для горизонтальной трубы диаметром d

где Ko gl 3 r acP t gl 3 r t – критерий конденсации; r – теплота конденсации, Дж/кг; ср – теплоемкость конденсата, Дж/(кг К); а – коэффици-

ент температуропроводности конденсата, м2/с; ν – кинематический коэффи-

циент вязкости конденсата, м2/с.

В этих уравнениях определяющий линейный размер для вертикальных стенок и труб – их высота, а для горизонтальных труб – диаметр; определя-

ющая температура – температура насыщения ts.

Примерные значения коэффициента теплоотдачи в Вт/(м2·K) для раз-

личных условий теплообмена лежат в пределах: нагревание и охлаждение воздуха 1 – 150, нагревание и охлаждение воды 200 – 12000, нагревание пара

25 – 125, нагревание и охлаждение масел 50 – 1800, кипение воды 50 — 60000, конденсация пара на смачиваемой поверхности 4500 – 16000, конден-

сация пара на несмачиваемой поверхности 40000 – 120 000.

9. Теплообмен при конденсации пара из парогазовой смеси

Во многих теплообменных аппаратах горячим теплоносителем являю-

65