Часть 1 Основы теплопередачи

гладкой. Однако действие сил поверхностного натяжения на поверхность пленки создает волновое течение конденсата в ней, при этом уменьшается средняя во времени ее толщина, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи, особенно при конденсации пара на вертикальных поверхностях. Это было доказано академиком П.Л. Капицей в 1925 г.

При 2 имеет место ламинарно-волновой режим стекания пленки, и для расчета коэффициента теплоотдачи применяется уравнение подобия

При конденсации пара на горизонтальных трубах в силу малой протяженности поверхности конденсации теоретически невозможно получить волновое стекание пленки, поэтому для горизонтальных труб при

где R – наружный диаметр трубы. Для широко применяемых теплоносителей значения и табулируются в зависимости от температуры насыщения и приводятся в справочнике.

Если в паре содержится неконденсирующийся газ, например воздух, то это снижает коэффициент теплоотдачи. Это происходит потому, что на стенке конденсируется лишь пар, при этом по мере приближения к стенке парциальное давление пара уменьшается, а воздуха увеличивается, поэтому воздух стремится скопиться у стенки и, обладая определенным термическим сопротивлением, резко уменьшает α

(рис. 3.14).

- 93 -

Рис. 3.14

Рис. 3.15

В качестве примера [1], содержание в паре только 1% воздуха снижает α больше чем наполовину (рис. 3.15). Поэтому для сохранения высокой интенсивности процесса теплоотдачи при пленочной конденсации пара в промышленных конденсаторах необходимо периодически удалять скопившийся на стенке неконденсирующийся газ, например, путем продувки конденсатора свежей порцией пара.

3.4.3. Теплоотдача при кипении

Кипение является весьма сложным процессом, который во многом определяется статистическими закономерностями и зависит от поверхностных условий. Кипение – процесс образования паровой фазы в объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения при данном давлении. Таким образом, необходимым условием для образования паровой фазы в жидкости является перегрев ее относительно температуры насыщения. Величина перегрева жидкости зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также от граничащих с ней твердых поверхностей нагрева. Если жидкость не содержит мельчайших пузырьков растворенных газов и различных твердых включений, то такую жидкость можно существенно перегреть на десятки градусов при данном давлении относительно температуры насыщения без начала кипения. Однако в некоторый момент кипение

- 94 -

все-таки начинается и протекает бурно в виде взрыва, при этом жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения.

Для образования паровой фазы необходимо разорвать силы молекулярного сцепления в жидкости. Наличие в ней мельчайших пузырьков растворенных газов и различных твердых включений ослабляет силы молекулярного сцепления в жидкости. Такая жидкость начинает кипеть сразу при достижении ею температуры насыщения.

+

где - минимальная работа образования парового пузыря; P – разность давлений пара в пузырьке и окружающей его жидкости (рис. 3.17), ж; V, м³ - объем парового пузыря; σ – коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]; F – площадь межфазной поверхности; σ·F – по физическому смыслу работа образования межфазной поверхности. Знак минус в уравнении показывает, что эту работу надо затратить извне.

Нетрудно видеть, что при уменьшении межфазной поверхности, что имеет место при зарождении пузырька в микровпадинах, уменьшается минимальная работа образования парового пузыря, а вероятность его образования в таких условиях увеличивается:

∙

где W – вероятность образования парового пузыря; K – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

- 95 -

Таким образом, если паровой пузырек зарождается в микровпадинах обогреваемой поверхности, то вероятность его образования в таких условиях больше по сравнению со случаем, когда он зарождается в объеме жидкости, из-за того что уменьшается величина поверхности раздела фаз пар-жидкость и минимальная работа образования парового пузыря.

Условием существования парового пузырька является уравне-

ние Лапласа

ж + 2

к

где к - минимальный радиус. Давление пара в пузырьке уравновешивается давлением окружающей его жидкости и силой поверхностного натяжения, приложенной к пузырьку с минимальным радиусом к (рис. 3.17). Пар в пузырьке и окружающей его жидкости перегрет от-

Анализ соотношения (3.5) позволяет сделать следующие выво-

ды:

1. Зарождение парового пузыря вероятнее всего на обогреваемой поверхности там, где имеет место наибольший перегрев жидкости относительно температуры насыщения, где давление насыщенного

начинают работать более мелкие центры с большой кривизной, поэтому общее число центров возрастает.

4. При увеличении давления возрастает, а влияние σ уменьшается, что приводит также к увеличению числа действующих центров парообразования.

- 96 -

Как уже отмечалось условием существования парового пузырька является выполнение уравнение Лапласа. Если

2

к

то в этом случае паровой пузырек будет существовать и развиваться.

Если

2

к

то он сконденсируется.

3.4.4.Режимы кипения

Вкачестве примера рассмотрим процесс кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении, где будут приведены истинные значения величин (рис. 3.18). АБ – область, в которой хотя и зарождаются отдельные пузыри, но они не определяют перенос теплоты от обогреваемой поверхности к кипящей жидкости. В этой области теплота от обогреваемой поверхности к жидкости переносится за счет теплоотдачи при свободном движении, которое приводит к перемешиванию жидкости. Для конкретного примера эта область соответствует

Втм и С. При дальнейшем увеличении в процессе БС

начинают образовываться паровые пузырьки, число которых по мере увеличения все время возрастает, при этом теплота от обогреваемой поверхности целиком воспринимается кипящей жидкостью и расходу-

Следует различать плотность теплового потока, подводимого к обогреваемой поверхности, и плотность теплового потока, воспринимаемого кипящей жидкостью. В области БС тепло от обогреваемой поверхности целиком воспринимается кипящей жидкостью, однако этот рост плотности теплового потока не является беспредельным. При дальнейшем увеличении и наступает максимум теплового потока, воспринимаемого жидкостью. На рис. 3.18 это точка С, которая носит название первой критической плотности теплового потока. Для нашего примера кр 2 ∙ Вт/м и температурный напор

2

- 97 -

В процессе СД в области переходного кипения при дальнейшем увеличении за пределами точки С паровых пузырьков становится так много, что они сливаются в большие паровые полости, которые затрудняют доступ жидкости к обогреваемой поверхности. В этой области плотность теплового потока, отводимого жидкостью, умень-

шается. Если учесть, что для водяного пара

для воды о

теплового потока, отводимого жидкостью, уменьшается

– это происходит до точки Д. В точке Д плотность теплового потока достигает своего минимального значения:

ность теплового потока отводимого кипящей жидкостью, при дальнейшем увеличении в случае движения процесса по линии ДЕ, увеличивается – это объясняется тем, что перенос теплоты в области ДЕ осуществляется не только путем конвекции и теплопроводности, но и за счет теплового излучения, так как в точке Д для нашего примера ст 2 . По закону Стефана–Больцмана

ный перенос теплоты. Эта область кипения называется областью пленочного кипения, так как в этой области паровых пузырьков становит-

- 98 -

ся так много, что они сливаются в сплошную паровую пленку, которая обволакивает обогреваемую поверхность и препятствует оттоку теплоты через нее. Паровая пленка является неустойчивой, в отдельные моменты времени она разрушается и всплывает в жидкости в виде больших пузырей, затем она снова образуется. Процесс периодически повторяется.

Кипение в области СД может иметь место лишь в случае, когда ст обогреваемой поверхности поддерживается постоянной. Такой процесс кипения обозначается с Однако в промышленной аппаратуре в большинстве случаев встречается другой вид кипения, в котором к обогреваемой поверхности подводится фиксированный тепловой поток: (например, электрический обогрев, или обогрев при сжигании топлива в топках котельных установок). В этом

В точке С тепло, которое поступает от обогреваемой поверхности, не может отводиться кипящей жидкостью полностью, что приводит к нестационарному разогреву обогреваемой поверхности и, как правило, к разрушению поверхности нагрева. В этих условиях стационарное кипение в переходной области существовать не может, и по достижении точки С при дальнейшем, даже небольшом увеличении происходит перескок процесса из точки С в точку Е с весьма высокими значениями температуры стенки. Знание значения кр является очень важным, так как промышленные аппараты должны работать только в области пузырькового кипения.

Пленочное кипение в области ДЕ требует больших энергетических затрат при небольших значениях тепловых потоков, отводимых кипящей жидкостью. Поэтому наиболее разумным и дешевым для применения в промышленной аппаратуре является область пузырькового кипения.

3.4.5. Количественное описание процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении

Теплоотдача при кипении – очень сложный процесс, зависящий от большого числа различных факторов, таких как теплофизические свойства кипящей жидкости и пара, свойства поверхности нагрева, микрошероховатость, чистота материала поверхности нагрева, температурный напор и т.д.:

- 99 -

где – угол смачиваемости.

Анализ механизма кипения позволил сделать вывод о том, что интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении определяется интенсивностью пульсаций парожидкостной смеси в пограничном слое, которые вызываются быстрорастущими паровыми пузырьками. На основе таких предпосылок при обработке дифференциальных уравнений Д.А. Лабунцовым было предложено уравнение подобия для расчета коэффициента теплоотдачи в области пузырькового кипения:

( )

Вид функции уравнения был установлен путем обобщения опытных данных при кипении различных жидкостей:

( ∙ ) м

Теория подобия определяет, что необходимо выбирать при обработке опытных данных в качестве определяющего размера. В качестве определяющего размера необходимо выбрать такой размер, который в наибольшей степени определяет развитие процесса теплоотдачи. В случае пузырькового кипения определяющим размером является величина, пропорциональная критическому радиусу зародыша парового

пузыря . Число Рейнольдса

∙

ж

где - условная скорость парообразования. Проверим размерность:

Таким образом, условная скорость парообразования характеризует объем пара (м ), снимаемый с единицы поверхности нагрева (м ) в единицу времени (с). И тогда становится понятен смысл , который характеризует интенсивность движения парожидкостной смеси вслед-

- 100 -

ствие процесса парообразования вблизи обогреваемой поверхности. Чем больше , тем больше интенсивность движения парожидкостной смеси, что приводит к увеличению числа Рейнольдса и коэффициента теплоотдачи. Число характеризует физические свойства кипящей жидкости:

Уравнение подобия может применяться не только для воды, но и для других капельных жидкостей с другими свойствами.

Глава 4 ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

4.1. Перенос теплоты путем теплового излучения

Тепловое излучение сопровождается переносом внутренней энергии излучающего тела в пространстве путем электромагнитных волн. Электромагнитные волны представляют собой электромагнитные возмущения, исходящие от излучающего тела и распространяющиеся в вакууме со скоростью света с =3∙ м/с.

Природа теплового излучения отлична от переноса теплоты в процессах конвективного теплообмена и путем теплопроводности. Носителем теплового излучения являются электромагнитные волны, которые нам знакомы под названием космического излучения, γ – излучения, рентгеновского излучения, ультрафиолетового излучения, излучения видимой части спектра, инфракрасного излучения, радиоизлучения.

Природа всех этих излучений одна и та же, разница заключается лишь в длине волны данного излучения. Нас будут интересовать такие излучения, которые поглощаются телами, при этом энергия излучения переходит в тепловую энергию. Такими свойствами обладают излучения видимой части спектра 0,4–0,8 мкм, инфракрасное излучение (0,8 мкм – 0,8 мм). Процесс распространения инфракрасного излучения в пространстве называют тепловым излучением.

4.2. Спектры излучения

Большинство твердых тел и жидкостей имеют сплошные спектры излучения. Излучение их являются достаточно интенсивными,

- 101 -