- •3.1.2.1. Граничні умови першого роду 27
- •Частина 1
- •1. Основні поняття та визначення
- •2. Математична модель конвективного теплообміну
- •2.1. Рівняння енергії
- •2.2. Рівняння руху (Навьє - Стокса)
- •2.3. Рівняння нерозривності
- •2.4. Математична модель конвективного теплообміну. Умови однозначності
- •3. Окремі випадки розв’язання математичної
- •3.1. Стаціонарна теплопровідність
- •3.1.1. Теплопровідність плоскої необмеженої пластини
- •3.3.1.1. Граничні умови першого роду
- •3.1.1.2. Граничні умови третього роду. Теплопередача
- •3.1.2. Теплопровідність необмеженої циліндричної стінки
- •3.1.2.1. Граничні умови першого роду
- •3.1.2.2. Граничні умови третього роду (теплопередача)
- •3.2. Нестаціонарна теплопровідність
- •4. Конвективний теплообмін
- •4.1. Основи теорії подібності
- •4.2. Основні принципи методу аналізу розмірностей
- •4.3. Критерії гідродинамічної подібності
- •4.4. Критерії теплової подібності
- •4.5. Критеріальне рівняння конвективного теплообміну
- •4.6. Принципи отримання окремих критеріальних залежностей
- •4.7. Окремі випадки конвективного теплообміну
- •4.7.1. Теплообмін при течії у трубах
- •4.7.2. Теплообмін при поперечному обтіканні
- •4.7.3 Теплообмін при природній конвекції
- •5. Теплообмін при зміні агрегатного стану
- •5.1. Теплообмін при кипінні
- •5.2. Теплообмін при конденсації пари
- •6. Теплообмін при випромінюванні
- •7. Методика розрахунку теплообмінників
- •7.1. Класифікація теплообмінних апаратів
- •7.2. Основні положення і рівняння теплового розрахунку
- •7.3. Гідромеханічний розрахунок теплообмінних апаратів
- •Частина 2
- •1. Нагрівання, охолодження, конденсація
- •1.1. Загальні поняття та визначення
- •1.2. Гріючі агенти і способи нагрівання
- •1.2.1. Нагрівання водяною парою
- •1.2.2. Нагрівання гарячою водою
- •1.2.3. Нагрівання топковими газами
- •1.2.4. Нагрівання високотемпературними теплоносіями
- •1.2.5. Нагрівання електричним струмом
- •1.3. Охолоджуючі агенти, способи охолодження і конденсації
- •1.3.1. Охолодження до звичайних температур
- •1.3.2. Охолодження до низьких температур
- •1.3.3. Конденсація пари
- •2. Випарювання
- •2.1. Загальні поняття та визначення
- •2.2. Однокорпусні випарні установки
- •2.2.1. Матеріальний баланс
- •2.2.2. Тепловий баланс
- •2.2.3. Поверхня нагрівання
- •2.2.4. Температурні втрати і температура кипіння розчинів
- •2.3. Багатокорпусні випарні установки
- •2.3.1. Основні схеми багатокорпусних випарних установок (бву)
- •2.3.2. Матеріальний баланс
- •2.3.3. Тепловий баланс
- •2.3.4. Загальна корисна різниця температур і її розподіл по корпусах
- •2.3.5. Розподіл загальної корисної різниці температур за умови рівності поверхонь нагріву корпусів
- •2.3.6. Розподіл загальна корисна різниця температур за умови мінімальної сумарної поверхні нагрівання корпусів
- •2.3.7. Вибір числа корпусів
- •2.4. Будова випарних апаратів
- •2.5. Розрахунок багатокорпусних випарних установок
- •2.5.1. Наближений розрахунок
- •2.5.2. Схема розрахунку багатокорпусної випарної установки
- •2.5.3. Уточнений розрахунок
- •3.1. Загальні відомості
- •3.2. Основні параметри вологого повітря
- •3.4. Рівновага при сушінні
- •3.5. Вологість матеріалу і зміна його стану в процесі сушіння
- •3.6. Матеріальний і тепловий баланс сушіння
- •3.7. Графоаналітичний розрахунок процесу сушіння
- •3.8. Варіанти процесу сушіння
- •3.8.1 .Сушіння з частковим підігрівом повітря в сушильній камері
- •3.8.2. Сушіння з проміжним підігрівом повітря по зонах
- •3.8.3. Сушіння з частковою рециркуляцією відпрацьованого повітря
- •3.9. Швидкість і періоди сушіння
- •3.10. Зміна температури матеріалу в процесі сушіння
- •3.11. Інтенсивність випару вологи
- •3.11.1. Випар вологи з поверхні матеріалу
- •3.11.2. Переміщення вологи у середині матеріалу
- •3.12. Тривалість процесу сушіння
- •3.13. Конструкції сушарок
- •4. Холодильні процеси
- •4.1. Термодинамічні основи одержання холоду
- •4.2. Методи штучного охолодження
- •Основна
- •Додаткова
- •Теплові процеси та апарати
5. Теплообмін при зміні агрегатного стану
До цього виду відносяться теплообмін при кипінні і конденсації. Характерною особливістю є утворення нової фази з виділенням (або поглинанням) теплоти фазового переходу.
5.1. Теплообмін при кипінні
Кипінням називається процес інтенсивного пароутворення, яке відбувається у всьому об’ємі рідини, перегрітої відносно температури насичення, з утворенням парових бульбашок. Процеси кипіння знаходять своє застосування у теплоенергетиці, хімічній технології, атомній енергетиці та інших областях сучасної техніки.
Кипіння можливе по всьому температурному інтервалі, між потрійною і критичними точками для даної речовини.
Розрізняють кипіння рідини на твердій поверхні теплообміну, до якої ззовні підводиться теплота, і кипіння в об’ємі рідини.
Механізм теплообміну при кипінні відрізняється від механізму тепловіддачі при конвекції однофазної рідини наявністю додаткового переносу речовини і теплоти паровими бульбашками з пограничного шару в об’єм киплячої рідини.
Коментар_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _
Температура насичення - температура при якій пар речовини при певному парціальному тиску знаходиться в рівновазі з рідиною.
Парціальний тиск - гідростатичний тиск, який мав би компонент газової суміші, якби один займав об’єм, який дорівнює об’єму суміші при тій же температурі; чисельно рівний добутку тиску газової суміші на мольну долю даного компонента).
Потрійна точка - точка на діаграмі стану, що відповідає рівноважному співіснуванню трьох фаз даної речовини: твердої, рідкої і газоподібної.
Критична точка - точка на діаграмі стану одно-чи багатокомпонентних систем, яка характеризується критичними значеннями температури, тиску, густини і складу.
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Розрізняють два основні режими кипіння: бульбашковий і плівковий.
Кипіння, при якому пара утворюється у вигляді окремих парових бульбашок,що періодично зароджуються, зростають і відриваються, називається бульбашковим.
Зі зростанням теплового потоку до деякого значення, окремі парові бульбашки зливаються, утворюючи біля поверхні теплообміну суцільний паровий шар, що періодично покриває об’єм рідини. Режим кипіння, який характеризується наявністю на поверхні плівки пари, покриваючої цю поверхню і що відокремлює її від рідини, називається плівковим кипінням.
Інтенсивність тепловіддачі при плівковому кипінні значно менша, ніж при бульбашковому.
Залежність густини теплового потоку від перегріву рідини
Рисунок 23. Крива залежності густини теплового потоку від перегріву рідини
При збільшенні температурного напору тепловий потік проходить через максимум.
Максимуму теплообміну передує конвективна область 1 (Рисунок. 23), що відповідає малим перегрівам рідини, і область розвиненого кипіння 3. Між ними знаходиться область нестійкого кипіння 2.
Вона характеризується малою густиною центрів пароутворення.
Пройшовши максимум, q поступово зменшується по мірі витискання бульбашкового кипіння плівковим. Після перехідної області 4 наступає режим стійкого плівкового кипіння. У цьому режимі на проміжку 5 лучисте перенесення теплоти відносно невелике, а на проміжку 6 воно набуває суттєвих значень.
Приведена крива не охоплює всіх можливих режимів кипіння. Так, при досконалій дегазації системи, а також при кипінні в умовах пониженого тиску може мати місце затягування режиму конвекції до високих перегрівів рідини (крива АБ).
Рисунок 24. До розгляду теплообміну при кипінні
Отже особливістю теплообміну при кипінні є утворення, зростання і відрив бульбашок пари на поверхні теплообміну, приток до місця відриву свіжих порцій рідини, що сприяє інтенсивному перенесенню тепла в приграничному шарі. Бульбашки, утворюються у місцях розрідження молекул (центрах пароутворення), якими є нерівності поверхні, заповнені газом чи паром. Тиск пари всередині бульбашки Pn більший, ніж тиск в навколишній рідині Pж, на величину , що визначається за рівнянням Лапласа:
(137)
де - поверхневий натяг, а R - радіус бульбашки. Тому для забезпечення випаровування всередину бульбашки і його росту рідина в приграничному шарі повинна бути перегріта. Збільшення розміру бульбашки приводить до зменшення і, відповідно, перегріву. Тому кожному перегріву відповідає мінімальний радіус Rmin, причому, якщо радіус зароджуваного бульбашки R<Rmin, то пар всередині цієї бульбашки сконденсується.
Таким чином, центрами пароутворення будуть тільки ті нерівності, які забезпечують радіус R>Rmin. Зі збільшенням перегріву рідини і тиску число центрів пароутворення росте і настає момент, коли біля поверхні утворюється суцільна парова плівка, яка є великим термічним опором, і описаний бульбашковий режим кипіння переходить у плівковий режим, який характеризується малими коефіцієнтами тепловіддачі. На рисунку 24 приведена залежність з якої видно, що максимальне значення досягається при критичному тепловому навантаженні , яке характеризує перехід до плівкового режиму (т. А на рисунку 24). Коефіцієнт тепловіддачі залежить від і розраховується, як правило, методом послідовних наближень по приведеним у літературі залежностям.
Кризи кипіння
Кризами тепловіддачі при кипінні називаються процеси, пов’язані з корінною зміною механізму і інтенсивності теплообміну.
Перша криза кипіння
Перша криза має місце на початку переходу бульбашкового кипіння у плівкове. Цей перехід носить риси кризового явища, так як в момент зміни режимів спостерігається різке зниження максимальної тепловіддачі і відповідне підвищення температури поверхні теплообміну.
Підвищення температури в ряді випадків таке велике, що криза кипіння може супроводжуватись розплавленням чи перепалом поверхні теплообміну.
Максимальне теплове навантаження при бульбашковому кипінні називається першою критичною густиною теплового потоку і позначається .
Температурний напір у момент досягнення першої критичної густини теплового потоку називається першим критичним температурним напором . Коефіцієнт тепловіддачі в момент початку кризи кипіння відповідає величині:
(138)
Друга криза кипіння
Друга криза кипіння. Зворотній перехід від плівкового режиму кипіння до бульбашкового, носить назву другої кризи тепловіддачі при кипінні. Цей перехід також носить кризовий характер, тому що при руйнуванні парової плівки і поверненні до бульбашкового кипіння тепловіддача різко підвищується, а температура поверхні відповідно знижується. Мінімальне теплове навантаження при плівковому режимі кипіння називається другою критичною густиною теплового потоку і позначається . Значення при кипінні насиченої рідини у великому об’ємі суттєво менше, ніж . Другі критичні густини теплового потоку залежать від роду рідини, розмірів поверхні, що віддає тепло, тиску, прискорення вільного падіння, шорсткості поверхні і ряду інших факторів. Для води при атмосферному тиску значення на поверхні горизонтальних труб і циліндрів складають Вт/м2. Залежність від труб наступна: .
Третя криза кипіння
Безпосередній перехід однофазної конвекції до плівкового режиму, минаючи стадію бульбашкового кипіння отримав назву третьої кризи кипіння. Максимальна густина потоку теплоти, що відповідає режиму вільної конвекції у момент переходу до плівкового режиму кипіння, називається третьою критичною густиною теплового потоку , а відповідний температурний перепад позначають .
Третя криза спостерігається при кипінні рідини в умовах понижених тисків, коли значно, збільшується критичний радіус зародишів бульбашок і відповідний перегрів рідини.
Кризи 1-го і 2-го роду
Розглядані вище три кризи кипіння відносяться до криз 1-го роду. В цьому випадку відбувається зміна режимів теплообміну і його інтенсивності. Характерними величинами для криз 1-го роду є критичні густини теплового потоку.
Кризи другого роду мають іншу природу. Вони характеризують погіршення тепловіддачі, виникаюче у момент висихання кільцевої плівки рідини на стінці при переході стержневого режиму в дисперсний. Характерною величиною для цих криз є граничне витратне пароутримання.
Граничним пароутриманням називається витратне пароутримання, якому відповідає відповідна криза другого роду.
Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі під час бульбашкового кипіння
Для інженерних розрахунків коефіцієнт тепловіддачі під час кипіння чистих рідин і розчинів рекомендується критеріальне рівняння В.І. Толубинського:
(139)
де К – критерій кипіння,
(140)
р – густина рідини,
П – густина пари.
Це рівняння можна використовувати для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі під час кипіння у „великому” об’ємі й кипіння в трубах за умов природної циркуляції. Застосування формули передбачає необхідність ітераційних розрахунків, тому, що для визначення коефіцієнта тепловіддачі потрібно знати питомий тепловий потік, який у свою чергу, залежить від коефіцієнту тепловіддачі.