1.5 Теплоотдача при свободном движении жидкости

Основные положения. Теплоотдача в неограниченом пространстве. Ламинарная и турбулентная конвекция вдоль вертикальной поверхности. Свободная конвекция у горизонтальных труб и плит. Теплоотдача в ограниченном пространстве. Характер циркуляции жидкости. Расчетные уравнения.

Методические_указания.

В процессе узучения раздела необходимо уяснить, что свободная конвекция возникает в поле действия сил тяжести, потому важно характеристикой процесса является расположение обогреваемой (или охлаждаемой) поверхности в пространстве: вертикальное, горизонтальное, наклонное, а также форма поверхности: плоская, цилиндрическая. Учет этих обстоятельств определяет вид критериального уравнения для расчета теплоотдачи.

Следует обратить внимание, что расчет теплоотдачи при свободной конвекции в ограничеснном пространстве, где формируются у смежных сторон пограничные слои оказывает взаимное влияние друг на друга, значительно усложняется по сравнению со свободной конвекцией в неограниченном объеме. Для облегчения расчета процесс конвективного теплообмена заменяется процессом теплопроводности путем введения эквивалентного коэффициента теплопроводности, учитывающего передачу теплоты через ограниченный слой как конвекцией, так и теплопроводностью.

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Как изменяется скорость движения жидкости около нагретой вертикальной поверхности в неограничеснном пространстве? За счет чего происходит движение жидкости?

2. Как изменяется температура жидкости при свободном движении жидкости вдоль нагретой вертикальной поверхности в неограниченном пространстве?

3. Возможно ли свободная конвекция в неограниченном пространстве около вертикальной поверхности начиная с турбулентного режима течения?

4. Возможно ли свободная конвекция вдоль вертикальной поверхности без участка с турбулентным режимом движения жидкости?

5. Как изменяется местный коэффициентплоотдачи по высоте стенки или трубы в неограниченном объеме? Зависит ли он при турбулентном режиме движения жидкости от высоты стенки?

6. Какие параметры оказывают существенное влияние на коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве?

7. Почему нет циркуляции жидкости если нагретая горизонтально расположенная поверхность обращена вниз?

8. Что представляет собой коэффициент конвекции и почему он является функцией чисел Грасгофа и Прандтля?

9. Почему интенсивность теплоотдачи в ограниченном объме при увеличении чисел Грасгофа снижается?

10. Зависит ли от формы прослойки выбор окружающего размера и температуры при вычислении чисел подобия?

1.6 Теплообмен при кипении жидкости

Общие представления о процессе кипения. Механизм передачи теплоты при кипении в неограниченном объме: зарождение, рост и отрыв паровых пузырьков. Зависимость плотности теплового потока от температурного напора при постоянной температуре стенки и при постоянном тепловом потоке. Первая и вторая критическая плотность теплового потока. Режим кипения. Механизм передачи теплоты при пузырьковом кипении в неограниченном объеме. Центры парообразования; минимальный радиус пузырька; минимальная работа образования пузырьков критического размера, влияние смачиваемости стенки жидкостью; скорость роста пузырьков; отрывной диаметр пузырька. Влияние недогрева жидкости; влияние шероховатости и теплофизических свойств стенки. Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкости в неограниченном объеме: зависимость коэффициента теплоотдачи от давления, плотность теплового потока и температурного напора.

Теплообмен при кипении жидкости в трубах. Расчет теплоотдачи при пузырьковом кипении в условиях свободной и вынужденной конвекции. Кризисы кипения.

Теплоотдача при пленочном кипении.

Методические_указания:

Изучение процессов кипения (и парообразования), в особенности в трубах, является важным этапом в подготовке инженеров специальности «Котлы и реакторы», так как эти процессы являются основными в энергетических котлах, котлах-утилизаторах, реакторах и парогенераторах АЭС.

Кипение может быть поверхностными и объемным, пузырьковым и пленочным, в перегретой и недогретой жидкости, в неограниченном пространстве и внутри труб, при заведенных регулируемой температуре стенки и регулируемой плотности теплового потока, при свободной и вынужденной конвекции.

При кипении жидкости в вертикальной трубе наблюдаютс три основные области с разной структурой потока: область подогрева (экономайзерный участок), область кипения (испарительный участок), область подсыхания влажного пара. Испарительный участок, в свою очередь, включает в себя области эмульсионного, пробкового и стержневого режимов кипения.

При изучении каждого из вышеприведенных процессов и режимов кипения необходимо разобраться в механизмах процессов, оценить влияние различных факторов на условия и интенсивность их протекания, а также усвоить методику определения коэффициентов теплоотдачи, плотности теплового потока или температуры стенки. При этом необходимо обратить внимание на то, что при подводе к поверхности постоянной плотности теплового потока переходный режим кипения существовать не может и имеет место скачкообразный переход пузырькового режима кипения в пленочный. Развитие процесса приобретет кризисный характер, который, как правило, сопровождается разрушением поверхности нагрева (пережогом). При снижении величины плотности теплового потока после возникновения пленочного режима кипения происходит скачкообразный переход от пленочного к пузырьковому режиму, минуя переходный режим, и возникает новый кризис кипения. Такие кризисные явления характерны для электрического обогрева поверхности, в атомном реакторе в результате ядерной реакции, при лучистом теплообмене в топках котлов. Необходимо научиться определять критические плотности теплового потока, чтобы исключить опасность пленочного режима кипения.

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. От каких факторов зависит величина начального перегрева жидкости, необходимого для возникновения кипения?

2. Какие значения первой критической плотности теплового потока и температурного напора при кипении воды в атмосферных условиях?

3. Какие значения второй критической плотности теплового потока и температурного напора при кипении воды в атмосферных условиях?

4. Одинаковы ли условия перехода от пузырькового к пленочному режиму кипения при различных способах подвода теплоты к поверхности: или?

5. Каковы условия возникновения и существования парового пузырька?

6. Всегда ли температура кипящей жидкости выше температуры в первом пузырьке?

7. Почему с уменьшением радиуса первого пузырька давление внутри его повышается?

8. От каких факторов существенно зависит минимальный радиус парового пузырька?

9. Какое влияние на отрывной диаметр пузырька оказывает смачиваемость и поверхностное натяжение жидкости?

10. От каких факторов зависит скорость роста паровых пузырьков?

11. Увеличивается ли коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении с повышением давления?

12. Почему критериальные уравнения вида неудобны в практических расчетах и, как правило, для этой цели используются эмпирические зависимости?

13. Какая величина принимается в качестве определяющего размера при определении чисел Рейнольдса и Нуссельта в случае использования критериального уравнения ?

14. Что представляют собой массовые и объемные расходные паросодержания?

15. Как осуществляется расчет коэффициентов теплоотдачи при пузырьковом кипении в трубах в условия вынужденной конвекции?

16. Что представляет собой скорость циркуляции?

17. Какие факторы оказывают существенное влияние на первую критическую плотность теплового потока ?

18. От каких параметров зависит величина второй критической плотности теплового потока ?

19. Зависят ли кризисные плотности теплового потока от скорости циркуляции?

20. Какова природа кризисов второго рода?

21. Как определяются коэффициенты теплоотдачи при пленочном режиме кипения на поверхности горизонтальных и вертикальных труб?

22. Что представляет собой температура предельного перегрева жидкости?