Глава 23 -Теплоотдача при кипении и конденсации (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970)

Глава XXIII. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ II ПРИ КОНДЕНСАЦИИ

§ 102. Теплоотдача при кипении жидкости

Кипением называется процесс образования пара в жидкости при ее нагревании. Температура образующегося пара носит назва­ние температуры насыщения t". Величина температуры насыще­ния определяется давлением р, под которым находится кипящая жидкость. Опыт показывает, что температура кипящей жидкости t_f всегда немного выше темпера­туры насыщения t", т. е. жид­кость при кипении перегрета относительно пара. Перегрев жидкости максимален для ча­стиц, прилегающих к нагре­ваемой поверхности: t_mах = t_w — t". Установлено, что интенсивность процесса кипе­ния в основном определяется перегревом жидкости относи­тельно температуры насыще­ния. От степени перегрева t зависят число центров парооб­разования и теплоотдача, по­этому при определении коэффи­циента теплоотдачи в качестве разности температур принимается t = t_w — t", т. е.

На рис. 170 даны типичные зависимости q = f (t) и α = f (t). В области АВ при малых значениях t значение коэф­фициента теплоотдачи невелико и определяется условиями сво- бодной конвекции жидкости. При увеличении t (участок BC) число возникающих пузырей возрастает, усиливается перемешива-

271

ние жидкости у поверхности и потому интенсивность теплоотдачи резко возрастает. Такой режим кипения носит название пузырча­того кипения.

При дальнейшем увеличении t до t_кр число центров паро­образования возрастет настолько, что пузыри сливаются между собой и на поверхности нагрева образуется пленка пара, которая оттесняет жидкость от нагреваемой стенки, в связи с чем теплоот­дача резко снижается. Такой режим кипения называется пле­ночным. Уменьшение коэффициента теплоотдачи α приводит к тому, что передача того же самого количества теплоты от стенки к жид­кости q_кр становится возможной только при соответствующем увеличении температуры перегрева стенки по сравнению с t_кр. Это часто приводит к прогару стенки. Таким образом, наиболее эффективным является пузырьковое (пузырчатое) кипение при критических тепловых потоках q_кр. Однако для выбора оптималь­ного и безопасного температурно­го режима работы кипятильных и выпарных аппаратов необходи­мо знать величины t_кр и q_кр.

На основе многочисленных опытов с различными жидкостями были установлены следующие за­висимости:

где В = А^3,33 ; обе величины за-висят от рода жидкости и давления. Как показали эксперименты, с ростом давления значение q_кр сначала резко увеличивается, достигает некоторого максимума, затем уменьшается и при критическом давлении становится рав­ным нулю (рис. 171). По этим данным для воды наивысшее значение q_кр ~ 4,6*10³ кдж/(м²сек) должно быть при р ~ 80 бар (для воды р_кр ~ 225 бар).

Для расчета теплоотдачи при объемном кипении чистых жид­костей в условиях свободной конвекции наиболее удачна обоб­щенная зависимость, полученная Г. П. Кружилиным. Формулы для расчета α и q_кр в области пузырчатого кипения имеют вид

где , c — соответственно теплопроводность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение и тепло-

емкость жидкости при температуре насыще­ния;

р₁ и р₂ — плотности жидкости и пара;

r — теплота парообразования.

§ 103. Теплоотдача при конденсации пара

На поверхности теплообмена, температура которой ниже тем­пературы насыщения, возникает конденсация пара. Если обра­зующийся конденсат смачивает поверхность, то конденсация носит название пленочной, если конденсат не смачивает поверхности, конденсация — капельная. Капельная конденсация отличается особенно интенсивной теплоотдачей так как при ней всегда сохра­няется непосредственный контакт пара с холодной стенкой, однако на практике ка­пельная конденсация встречается довольно редко, поэтому будем в дальнейшем рассма­тривать процесс пленочной конденсации.

При пленочной конденсации вся теплота, выделившаяся при конденсации пара, про­ходит через пленку и отводится через стенку. При ламинарном режиме течения конденсата перенос теплоты через пленку осуществляет­ся теплопроводностью.

В этом случае количество теплоты, пере­данное единице поверхности, определяется следующим образом (рис. 172):

где t_w — температура частиц конденсата,

соприкасающихся со стенкой; t" — температура насыщения; _x — толщина слоя в сечении х;  — коэффициент теплопроводности

конденсата.

Это же количество теплоты можно представить выражением, используя гипотезу Ньютона:

тогда

Определение коэффициента теплоотдачи, таким образом, сво-дится к определению толщины _x конденсата, которая нахо­дится из условия равновесия сил трения, тяжести, поверхност­ного натяжения и инерции элемента конденсата.

273

Пример. Определить коэффициент теплоотдачи и количество сконденсировавшегося насыщенного водяного пара р_абс=3,92 бар и х=0,7 на вертикальной трубе высотой Н=1,5м и диаметром d=0,65 м, температура поверхности трубы t_=55^oC.

Нуссельтом была получена зависимость для определения тол­щины пленки конденсата в виде

где μ, r — соответственно динамическая вязкость, плотность

и теплота парообразования конденсата. После подстановки _х в уравнение (408) получим

Из приведенных соотношений следует, что по мере стекания жидкости толщина пленки увеличивается, а значение коэффициента теплоотдачи соответственно уменьшается.

Для стенки, наклоненной под углом , коэффициент теплоот­дачи α_ определяется по формуле

Среднее значение коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении пленки по вертикальной стенке или трубе высотой Н можно определить следующим образом:

Задача о теплообмене при конденсации пара на основе теории подобия была решена С. С. Кутателадзе, который нашел для этого случая критерии подобия:

где Ga — критерий Галилея;

l — характерный размер. Для вертикальных труб это их

высота, для горизонтальных труб — диаметр. Для расчета конденсаций критериальные уравнения имеют вид:

б) для среднего коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы

а) для среднего значения α верти­кальной стенки или трубы

В качестве определяющей температуры принята температура t" насыщения.

При конденсации пара теплоотдача зависит от ряда факторов: направления течения пара, состояния поверхности, содержания в паре неконденсирующихся газов, конструкции теплообменника и др.

Так, например, если движение пара совпадает с направлением течения пленки, то вследствие трения скорость течения пленки увеличивается, толщина уменьшается и коэффициент теплоот­дачи возрастает. При движении же пара и пленки в противопо-ложные стороны течение пленки тормозится, толщина ее увели-чивается и коэффициент теплоотдачи несколько уменьшается.

Если поверхность шероховата или покрыта слоем накипи со­лей, то вследствие дополнительного сопротивления течению пленки толщина ее увеличивается, а коэффициент теплоотдачи снижается на 30% и более. При наличии в паре неконденсирующихся газов (например, воздуха) теплоотдача при конденсации сильно сни­жается.

Это происходит потому, что на холодной стенке конденсируется пар, а воздух не конденсируется и оказывает препятствие про­движению пара к стенке.

При содержании в паре даже 1 % воздуха коэффициент тепло­отдачи снижается на 60%. Поэтому в промышленных конденса­торах воздух непрерывно откачивают.

Вопросы для самопроверки по разделу «Теплопередача»

1. Какие три основных вида теплообмена вы знаете?

2. Как формулируется основной закон теплопроводности Фурье?

3. Что такое коэффициент теплопроводности и какова его размерность
   в системе СИ?

4. Как записывается дифференциальное уравнение теплопроводности
   и каков его физический смысл?

5. Что такое условие однозначности?

6. Что такое коэффициент теплоотдачи и какова его размерность в си-­
   стеме СИ?

7. Какие процессы называют стационарными и какие нестационарными?

8. Каковы основные положения теплообмена соприкосновением?

9. Каковы методы снижения термического контактного сопротивления?

1. Что называется конвективным теплообменом?

2. Для чего введена теория подобия и какие теоремы этой теории вы
   знаете?

3. Какие критерии подобия вы знаете?

4. Каковы особенности теплоотдачи при свободном движении жид­-
   кости?

5. Как записывается в общем виде критериальное уравнение для рас­-
   чета теплоотдачи при вынужденном движении жидкости?

6. Каковы особенности теплоотдачи при течении газа с большими
   скоростями?

7. Напишите уравнение, связывающее коэффициент трения и коэф­-
   фициент теплоотдачи.

8. Какие основные законы лучистого теплообмена вы знаете?

9. Как учитывается солнечное излучение?

10. Каковы особенности излучения газов?

11. Что такое коэффициент теплопередачи?

12. Как производится интенсификация и снижение теплопередачи?

13. Что такое теплообменный аппарат?

14. Что называется водяным эквивалентом теплоносителя?

15. Какую схему движения теплоносителей мы называем прямотоком
    и какую противотоком?

16. Каковы преимущества схемы противотока перед схемой прямотока?

17. Как производится оценка экономичности теплообменного аппарата?

18. Что такое теплота парообразования?

19. Какие режимы кипения и конденсации вы знаете?

Система единиц измерения

1 января 1963 г. Государственным стандартом 9867—61 в СССР в ка­честве предпочтительной введена Международная система единиц (СИ).

Внедрение этой системы единиц устранит ненормальное положение. создавшееся в результате применения у нас в стране множества систем еди­ниц измерения (например МКС, СГС, МКГСС). Система СИ включает в себя шесть основных единиц измерения: метр, килограмм (масса), секунда, градус Кельвина, ампер и свеча. При изложении материала учебника использо­валась в основном эта система единиц.