Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Л. Капица показал, что средний коэффициент теплоотдачн благодаря волнообразованию увеличивается на 21 % по сравнению с его значением, рассчитанным по формуле Нуссельта. С учетом этой поправки теоретические формулы удовлетворительно согласуются с экспериментом. Переход к турбулентному течению приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи.
Для теплоотдачи на вертикальной поверхности, на которой имеются участки с ламинарным и турбулентным режимами течения пленки конденсата, Д. А. Лабунцов предложил формулу Ке, = [89+ 0,024Рг' ' (х. — 2300)]'и, , (13.8) где Вез — определяется по формуле (13.3), а У=Па"зХ(1,— / )/(гр). Свойства конденсата выбираются по температуре 1,. Шероховатость поверхности способствует уменьшению скорости пленки и ухудшает интенсивность теплообмена. Влияние перегрева пара на коэффициент теплоотдачи невелико. Для расчета теплоотдачи в условиях конденсации перегретого пара вместо теплоты испарения г надо подставлять г+АЬ, где АЬ— теплота перегрева пара (АЬ=Ь, — Ь").
Если пар содержит примеси неконденсирующихся газов, то эти газы скапливаются около поверхности охлаждения и резко ухудшают интенсивность теплообмена. Так, 2% содержания воздуха в паре приводят к уменьшению коэффициента теплоотдачи в 3 раза. Средний коэффициент теплоотдачи поверхности зависит от ее формы и взаимного расположения элементов. Коэффициент тепло- отдачи для одной горизонтальной трубы больше, чем для вертикальной, но при многорядном расположении горизонтальных труб нижние ряды будут иметь значительно меньший коэффициент теплоотдачи из-за попадания на них конденсата с верхних рядов. Вынужденное движение пара также влияет на коэффициент теплоотдачи.
Движение пара вдоль вертикальной поверхности вниз увеличивает скорость течения пленки, уменьшает ее толщину и увеличивает коэффициент теплоотдачи. Когда направления движения пара и пленки противоположны, то при небольшой скорости пар 394 тормозит пленку и ухудшает интенсивность теплообмена, но при дальнейшем увеличении скорости пленка сдувается паром и коэффициент теплоотдачи увеличивается. При увеличении давления влияние скорости пара на коэффициент теплоотдачи при конденсации усиливается. Значительно более сложный механизм имеет теплоотдача при конденсации пара, движущегося внутри трубы.
В этом случае внутри трубы имеют место два потока — поток пара и поток конденсата, взаимное воздействие которых зависит от направлений их движения и скорости пара. При вертикальном положении трубы этн направления могут быть одинаковыми или противоположными. При горизонтальном положении трубы движение конденсата может определяться только взаимодействием его с потоком пара, только силами тяжести или одновременным воздействием этих факторов.
Скорость пара при движении его по трубе уменьшается; прн полной конденсации пара его скорость на выходе равна нулю. Режим течения пара может быть ламинарным или турбулентным, причем турбулентное течение из-за уменьшения скорости на некотором расстоянии от входа может превратиться в ламинарное.
Пленка также может иметь ламинарный или турбулентный режим течения. Теплоотдача при конденсации может протекать в условиях уменьшенного ускорения свободного падения (космнческие корабли, спутники Земли) или в условиях, когда пленка конденсата формируется под действием инерционного ускорения, значительно превышающего ускорение свободного падения (вращающиеся поверхности теплообмена, криволинейные трубы и каналы). Ослабление гравитационного поля затрудняет отвод конденсата с поверхности теплообмена и ухудшает интенсивность теплоотдачи.
При условиях, близких к состоянию невесомости, существенное влияние на теплообмен могут оказать эффекты, обусловленные поверхностным натяжением. Анализ расчетных соотношений для коэффициентов теплоотдачи при конденсации показывает, что при ламинарном течении пленки уменьшение коэффициента теплоотдачи пропорционально ускорению свободного падения в степени '/ь а при турбулентном течении пленки — в степени '/з. При конденсации пара на вращающихся поверхностях (диск, конус, цилиндр) скорость движения конденсата определяется в основном балансом центробежных сил, вязкостных сил и сил поверхностного натяжения. За счет вращения коэффициент теплоотдачи может увеличиться в 3...5 раз по сравнению с конденсацией на вертикальной стенке.
Коэффициент теплоотдачи при течении копденсирующегося паРа .в змеевике может быть больше, чем в гроизонтальной трубе, в 2,5 ... 3,5 раза. 395 ф 1ал. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ При кипении процесс теплообмена между жидкостью и поверхностью на. грева сопровождается преврапюнием жидкости в пар. Изменение температуры по толщине слоя воды, кипящей в боль. шом объеме без вынужденного движения при нормальном давле. нии, показано на рис. 13.2 (у — расстояние от поверхности нагрева). Пар, находящийся над поверхностью кипящей жидкости, имеет температуру насыщения. По толщине слоя кипящей жидкости температура изменяется слабо, за исключением участка, не.
посредственно прилегающего к стенке. Большая часть жидкости имеет температуру, которая только на 0,4 ... 0,8 К превышает температуру насыщения. В пристеночном слое жидкость перегревается: ее температура выше температуры насыщенного пара. 1 Перегрев жидкости вблизи стенки окаюу зывается возможным потому, что здесь аи нет постоянной поверхности раздела Ф7 жидкости и пара, а процесс парообразования может происходить только после возникновения паровых пузырьЕ1 Л ков. Такие пУзыРьки возникают в центрах парообразования. Вероятность возникновения паро- вых пузырьков увеличивается с роома том степени перегрева жидкости.
Поаи этому наиболее благоприятные условия для возникновения пузырьков создаются на поверхности нагрева. При уу ои этом центрами парообразования слу- жат шероховатости поверхности нагреРис. 13.2 ва, а также пузырьки воздуха или па- ра, выделяющиеся из жидкости или твердой стенки. Пар имеет меньшую теплопроводность, чем жидкость, поэтому вблизи пузырька перегрев жидкости на поверхности нагрева увеличивается. Размеры пузырька быстро растут, я под влиянием подъемной силы и конвективных токов он отрывается от стенки и поднимается к свободной поверхности жидкости. Этот процесс периодически повторяется. Зародившийся в центре парообразования пузырек находитси под действием подъемной силы, обусловленной разностью плотностей жидкости и пара, гидродинамической силы, обусловленной движением жидкости и силы поверхностного натяжения.
Две первые силы стремятся оторвать пузырек от поверхности нагрева, а последняя сила препятствует этому. 396 В процессе роста пузырька соотношение между силами ме- а 3) няется в пользу подъемной и гидродинамической сил. Момент от- Р ыва единичного пузырька в — — — — — — ю— — дбольшом объеме неподвижной жидкости может быть приближенно установлен из условия раРис. !3.3 венства подъемной силы силе поверхностного натяжения. Для диаметра парового пузырька в момент отрыва о( получена следующая теоретическая формула: о.=о,оов~ чбтр' — р'зч! .
(13.9) щг йг ~ Ю а е(ГС Рис. 13.4 337 где а — поверхностное натяжение; Π— краевой угол, характеризующий смачивание поверхности жидкостью (рис. 13.3, а, б); р' — р"— разность плотностей жидкости н пара; д — ускорение свободного падения. Наиболее признанной является гипотеза, в силу которой интенсификация теплоотдачи при пузырьковом кипении обусловлена тем, что в процессе роста пузыря перегретая жидкость отбрасывается от поверхности теплообмена, а ее место замещается более холодной жидкостью.
Все это приводит к турбулизации пограничного слоя жидкости н усилению обменных процессов. Наблюдение за процессом кипения воды показывает, что около, 95!)!о пара образуется во время движения пузырей и только 57о— во время пребывания их на поверхности нагрева. Температурный напор Л1=1— Ф, Вг/ие — Г~жÄ— 1, (где Ф, — тепература !1ч вг)(ме.н) насыщенного пара) определяет механизм парообразования и интенсивность теплообмена. 6 н На рис. 13.4 изображена типич- Г!уоо!оонозое 1! ~,,~' ная зависимость коэффициента теп- кооеное / ! лоотдачи и плотности теплового по- 3!г еночное тока от температурного напора l ! коконин б(=1 — 1,. При небольших темпеао и ратурных напорах количество отделяющихся от поверхности нагрева пузырьков невелико, н они не спо1о ч! собны еще вызвать существенное ! 3 ! возмущение пограничного слоя. В / ! ! этих условиях интенсивность тепло! отдачи определяется только свободным движением жидкости и коэффициент теплоотдачи слабо увели- чивается с ростом М.
Такой режим кипения называется конвек. тивным (зона А на рис. 13.4). Для воды прн давлении р=10х Па конвективный режим наблюдается до Л1жбК, а плотность тепло. вого потока достигает 6000 Вт/м'. При увеличении температурного напора растет число действу. ющих центров парообразования, несколько увеличивается частота отрыва пузырьков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
