1-13_Lection_TOT

12

Розв’язок :

5)ql d t 126,5 0,01 (80 20) 238,3 Вт/м.

6)Q ql l 24 3600 238,3 1 24 3600 20,6 МДж.

1

Конвективний теплообмін

Режими течії в залежності від Gr Pr

Турбулентний режим

1

Лекція 11

Теплообмін при агрегатних перетвореннях рідини

Кипіння.

Кипінням наз. процес переходу речовини з рідкого стану в пароподібний.

Кипіння можливе у всьому температурному інтервалі між потрійною і критич-

ною точками, для даної речовини. При кипінні (при фазовому перетворенні

«рідина-пар») поглинається теплота пароутворення, тому процес завжди пов'язаний з підведенням теплоти до киплячої рідини. Розрізняють:

1.Кипіння рідини на твердій поверхні, до якої ззовні підводиться тепло. При такому кипінні утворення парової фази спостерігається в окремих місцях цієї поверхні.

2.Кипіння в об’ємі рідини. При такому кипінні парова фаза виникає мимовільно безпосередньо в об’ємі рідини у вигляді окремих бульбашок

пари.

В сучасній техніці найбільш часто зустрічаються процеси поверхневого кипіння. Для процесу кипіння необхідне виконання двох умов:

1).наявність перегріву рідини відносно температури насичення tн; t p >tн

2). Наявність центрів пароутворення.

Перегрів рідини має максимум безпосередньо у поверхні, що обігрівається.

На ній же знаходяться центри пароутворення у вигляді шорсткостей поверхні нагрівання, бульбашок газу, частинок пилу. Кипіння, при якому пара утворюється у вигляді парових бульбашок, що періодично зароджуються і рос-

туть, називається бульбашковим кипінням.

З ростом теплового потоку число центрів пароутворення збільшується. Їх стає так багато, що бульбашки пари, що утворюються, зливаються в один в один суцільний паровий шар, а кипіння за таких умов називається плівковим.

Залежність теплового потоку і коефіцієнта тепловіддачі від температурного напору показана на рис.1.

3

Утворення бульбашки з критичним радіусом можливо лише в тому випадку,

якщо навколишня рідина буде перегріта, тобто якщо її температура Tр буде пе-

ревищувати Tн ( при тиску рідини)

Поверхневий натягце сила, під дією якої вільна поверхня рідини намагається скоротися. Ця сила діє по дотичній до поверхні.

2.Відривний діаметр бульбашки d0.

Народжене парова бульбашка росте, внаслідок підведення теплоти, до

відривного діаметра do, потім відривається від поверхні нагрівання і спливає,

захоплюючи за собою деяку кількість рідини з пристінної області в основний об’єм. Простір, що звільнився на поверхні нагрівання, заповнюється рідиною й у центрі пароутворення знову зароджується парова бульбашка.

Значення відривного діаметра бульбашки залежить, зокрема, від того,

змочується поверхня рідиною чи ні.

Змочуюча здатність рідини характеризується крайовим кутом ,який утворю-

ється між стінкою і вільною поверхнею рідини. Чим більше , тим гірше змо-

чуюча здатність рідини. – залежить від природи рідини, матеріалу, стану і чистоти поверхні.

Для визначення величини відривного діаметра бульбашки використовується

формула

Ці лінійні параметри входять в складні критеріальні рівняння для розраху-

нків тепловіддачі при бульбашковому кипінні рідини.

4

У практичних розрахунках використовуються залежності для бульбашкового кипіння води в інтервалі тисків (1...40)105 Па

де q – [Вт], Р – [ бар].

При плівковому кипінні між стовпом рідини і твердою поверхнею знахо-

диться парова подушка ( шар пари), у якому механізм переносу теплової енергії відповідає вільній конвекції. Для цього випадку критеріальне рівняння буде мати вид:

Nu = c (Gr Pr)n

1.Критичне значення добутку Gr Pr дорівнює 10-7.

2.Для турбулентного режиму, що найбільше часто має місце при плівковому

кипінні с = 0,25 , n = 0,33.

Визначальна температура t0 = tср – парової подушки.

α при плівковому кипінні на порядок нижче, ніж α бульбашкового кипіння.

Плівкове кипіння спостерігається при закалюванні металів в рідкому середовищі при кипінні криогенних рідин.

Конденсація

Конденсація – процес переходу пари (газу) у рідкий чи твердий стан. При конденсації пари відбувається виділення теплоти фазового переходу, тому процес конденсації зв'язаний з теплообміном. Конденсація може відбуватися як в об’ємі,

так і на охолоджуваній поверхні теплообміну. В інженерній практиці частіше зустрічається другий варіант.

Необхідною умовою конденсації є наступна температурна умова: tн – температура насичення;

tc - температура стінки ( теплообмінника).

У розрахунках звичайно вважають, що температура пари температурі насичення tп = tн >tc

5

В результаті конденсації на поверхні може утворитися або рідка плівка конденсату, або окремі краплі.

Плівкова конденсація можлива, якщо рідина змочує поверхню, краплинна – якщо не змочує. Коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації водяної пари при р = рАТМ досягає значення = 7 103…12 103 Вт/м2К.

При краплинній конденсації водяної пари тепловіддача може бути в багато разів більше, ніж при плівковій, тому що плівка конденсату має великий терміч-

ний опір. Значення досягають величини = 40 103…100 103 Вт/м2К.

Розглянемо теплообмін при плівковій конденсації нерухомої пари біля вер-

тикальної стінки

b

q

tП = tН

tПОВ

tС < tН

y

x

На рисунку показана схема плівкової конденсації пари на вертикальній по-

верхні. У верхній частині товщина плівки мала і режим її течії ламінарний. Кіль-

кість стікаючого по поверхні конденсату поступово збільшується, внаслідок чого товщина плівки зростає. На поверхні плівки виникають капілярні хвилі, що змен-

шують її середню товщину. Перехід від ламінарної течії до турбулентної визнача-

де w – середня швидкість плівки в розглянутому перерізі;

δ – товщина плівки.

7

де А - комплекс, який залежить від теплофізичних властивостей рідини, які визначаються температурою насичення.

H- висота вертикальної стінки - визначальний розмір.

Інтенсивність теплообміну при конденсації визначається термічним опором плівки конденсату. На практиці частіше реалізується ламінарно-хвильовий рух,

при якому на поверхні утворюються хвилі, що сприяють зменшенню товщини плівки конденсату, збільшенню середнього коефіцієнта тепловіддачі. Кількість конденсату і режим руху плівки залежить від інтенсивності тепловіддачі. Для та-

кого руху рекомендується формула для розрахунку середнього коефіцієнта тепловіддачі.

t = tн – tс – температурний напір;

Комплекси А і В для випадку конденсації водяної пари в залежності від ts

наведені у таблицях.

Послідовність розрахунку р→tн →А,В→ Z → Re →α → q