Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Температура насыщения по длине грубы уменьшается благодаря уменьшению давления из-за гидравлического сопротивления. По условиям теплообмена трубу можно подразделить на ряд участков. Во входном участке температура стенки трубы меньше температуры насыщения. Проходя через этот участок, жидкость подогревается, причем теплообмен не сопровождается кипением. На втором участке трубы температура стенки превышает температуру насыщения, но ядро потока не достигло еще этой температуры. Поэтому отделяющиеся от поверхности нагрева пузырьки' пара частично или полностью конденсируются в центральной части потока. Такое явление называют кипением недогретой жидкости.
К началу третьего участка центральная часть потока достигает температуры насыщения. На этом участке происходит развитое пузырьковое кипение. Здесь паросодержание может достигать большой величины, и по трубе движется, по существу, двухфазный поток. Увеличение паросодержания сопровождается ростом скорости потока и градиента давления вдоль трубы.
При этом пузырьки паРа сначала распределяются по всему поперечному сечению трубы (змульсионньгй режим), затем они сливаются в крупные паровые ВРобки (пробковый режим), затем пробки сливаются в общий па- 401 а,а '4г аа аИю~ а ' аах ровой поток, а жидкость образует только пленку, текущую по стен. ке (стержневой режим). Характер влияния скорости потока на коэффициент теплоотдачн при кипении зависит от плотности теплового потока. При небольшой тепловой нагрузке коэффициент теплоотдачи целиком определяется условиями движения и практически не зависит от величины д. Прн очень больших тепловых нагрузках влиянием условий движения на интенсивность теплообмена можно пренебречь, так как коэффициент теплоотдачн целиком определяется процессом кипения и подчиняется таким же закономерностям, как и при кипении в большом объеме.
Существует также область режимов, где влияние движения жидкости и процесса кипения на теплообмев сопоставимы и коэффициент теплоотдачи зависит от обоих факторов. Д. А. Лабунцов обработал опытные данные по теплоотдаче кипящих жидкостей, движущихся по трубам, при паросодержанни, не превышающем 70%, в виде зависимости а/а = /(а,/а ), (13.14) где а — коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости с учетом ее движения; а — коэффициент теплоотдачи однофазной жидкости при скорости ш; пй — коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме.
Эта зависимость показана на рис. 13.5. Из графика видно, что при а /и (0,5 процесс кипения не влияет на теплообмен н потому а=а . При ай/а„)2 интенсивность теплоотдачн определяется толь. ко кипением и потому а=а . Для области, где коэффициент тепло- отдачи зависит от скорости потока и тепловой нагрузки (ач/а = =0,5 ...2), рекомендуется следующая интерполяционная формула: а/и =(4а +ай)/(5а — и ).
(13.15) Коэффициент теплоотй/йр дачи при кипении зависит от содержания растворение ных в жидкости газов. аа Пузырьки газа служат аа дополнительными цент- рами парообразования и м— — потому интенсифицируют и теплообмен. Рассмотрена ные выше уравнения от. а :й носятся к дегазированной жидкости. При содержании газа 0,06 ... 0,3 см'/л й-й коэффициент теплоотдз' чи увеличивается на 20." а а а и м м выайай,/й„60 йй по сравнению с ки' пением дегазированиой Рис. 13.5 жидкости. Критическая плотность теплового потока также зависит от скорости потока, причем эта зависимость имеет место даже и для таких условий движения, при которых коэффициент теплоотдачи от скорости не зависит.
Вынужденное движение жидкости вдоль поверхности нагрева затрудняет образование паровой пленки, поэтому с увеличением скорости течения а„р возрастает. При кипении недогретой жидкости аар больше, чем при кипении жидкости, имеющей температуру насыщения. Это обусловлено тем, что поступление недогретой жидкости из ядра в пристеночный слой способствует разрушению паровой пленки. При длине трубы меньше 8...10 диаметров увеличение длины сопровождается уменьшением аип, при 1) (8... 10)й критическая плотность теплового потока не зависит от длины трубы.
Пульсации потока увеличивают а,р. 5 13зй ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ИСПАРЕНИИ Теплообмеи между поверхностью пленки и горячим газом сопровождается испарением жидкости. Механизм теплоотдачи при поступлении паря а пограничный слой горячего газа такой же, как и ари подводе к поверхности газаохладителя, но фазовый переход на поверхности теплообмена приводит к поязлению некоторых особенностей. При стационарном процессе теплообмена часть поступающей к поверхности пленки теплоты компенсирует теплоту испарения жидкости, а остальная часть расходуется на подогрев пленки и передается в стенку. Если подведенная к поверхности пленки теплота равна теплоте, затраченной на испарение жидкости, то по всей толщине пленка будет иметь постоянную температуру и теплота в стенку передаваться не будет.
Такой процесс испарения называют адиабатным. Аналогично протекает процесс испарения твердого тела.' Если температура поверхности меньше температуры в тройной точке фа. вовой диаграммы, то вещество переходит из твердого состояния в паРообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс испарения называют сублимацией, При вдувании через пористую стенку расход газа-охладителя является независимым параметром системы.
При испарении и сублимации увеличение расхода пара с поверхности сопровождается, с одной стороны, увеличением затраты теплоты на превращение жидкого или тведого вещества в пар, с другой — уменьшением интенсивности теплообмена между основным потоком и поверхностью из-за вдувания пара в пограничный слой основного потока. Поэтому стационарный процесс испарения или сублимации при заданных условиях течения внешнего потока наступает при такой ско- рости испарения, при которой интенсивность теплообмена обеспе. чивает баланс теплоты пМ=г? +д„М, (13.18) (13.1?) где (дС?дп)„з — градиент концентрации пара у поверхности испарения; Вс — коэффициент диффузии. Так как концентрация горячего газа при приближении к поверхности испарения уменьшается, то по направлению к поверхности возникает молекулярный поток горячего газа, который можно выразить формулой, аналогичной (13.17). Но поверхность непроницаема для горячего газа, и потому этот поток газа должен быть компенсирован конвективным потоком парогазовой смеси.
Вместе с этим потоком от стенки уносится пар. Плотность конвективн ого парового потока определяется формулой (13.18) Япк пСщ~ где п — скорость конвективного движения смеси; С вЂ” концентрация пара у поверхности испарения. Коивективный поток пара был обнаружен Стефаном и потомУ часто называется стефановым потоком. Формулы (13.17) и (13.18) позволяют записать (13.19) дл ул-а ДлЯ пРактических Расчетов величинУ дч Удобно выРазить че рез коэффициент массоотдачи рс.' ~.=8,(С.— С,).
(13.20) 404 где д — плотность теплового потока к стенкс; и — плотность мас сового потока пара; М=сМ,„+г — изменение энтальпии вещест. ва при испарении нли сублимации; г — теплота испарения жидкости или сублимации тела; сМ~,д — теплота, необходимая для подогрева вещества до равновесной температуры испарения или суб лимации; а = » (д~) — коэффициент теплоотдачи. Следовательно, расчет теплообмена при испарении и сублима. ции не может быть выполнен без оценки массообмена, т. е. без расчета плотности массового потока пара. Перенос пара в поток осуществляется путем молекулярной и конвективной диффузии.
Плотность молекулярного потока у поверхности испарения можно определить по закону Фика При небольшой скорости испарения вторым членом уравнения (!3.19) можно пренебречь; для этих условий, сопоставляя уравнения (13.19) и (13.20), найдем го= — —— Ос ! дС (13.21) зс~а Это уравнение называется диф фере нци альны м уран нен н е м м а с с о о т д а ч и. Ему можно придать безразмерную форму (13.22) Ыпо= —— где Мив=5с!/г!с — диффузионное число Нуссельта; С= (С— — С!) /(С вЂ” С!) — безразмерная концентрация; й = и)! — безразмерная нормаль.
К такой же форме легко привести дифференциальное уравнение теплоотдачи (2.22): Ыи=— (13.23) где г=(! — !!)!(1„— г!) — безразмерная температура. Распределение концентраций и температур в системе определяется дифференциальными уравнениями массообмена и энергии. Для стационарных условий при ламинарном течении и отсутствии внутренних источников теплоты и вещества, при Рс=сопз( и Л=сопз( эти уравнения [(2.30) и (2.15)) легко привести к виду: дС дС дС 0с ! дй~ дт~ дйС ~ с дл ду дэ ! дхэ дух дэФ (13.24) э! + д1 + д7 а ( дФ д2э дФ~ дх ду дэ ! 1, дхэ дух дхг I (13.25) 3десь ! — характерный размер системы; х=хД; 9=у(1; 2=а~1. Распределение скоростей в системе при тепло- и массоотдаче определяется дифференциальными уравнениями движения и сплошности, которые одинаковы для обоих процессов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
