Основы теории теплообмена Кутателадзе С.С. (1013620), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Для области существования зависимости (21.4.5) можно образовать критерий подобия (предложен автором в !949 г.) К,=И"а ' . (21.4 .6) В более общем случае в качестве характеристик сжимаемостн смеси следует ввести два параметра: (М2 — )т пп/р'/а"'; а"/а'). (2 1.4.7) В приближении идеального газа квадрат изотермической скорости звука равен отношению давления к плотности и М, '=(р'/р") К . (21.4.8) Подробно гидродинамика газо-жидкостных систем рассмотрена в монографиях С. С.
Кутателадзе и М. А. Стыриковича, Уоллеса и др. 289 !О Зак. 722 2!Л. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ При рассмотрении пленочной конденсации формулировка уравнений, впт сывающих движение и теплообмен в двухфазной системе, не вызывала приз ципиальных затруднений, поскольку обе фазы образовывали непрерывные пс токи с одной отчетливо выраженной поверхностью раздела. Кипение предста. ляет пример такого процесса, в котором компоненты потока могут быть в чрь вычайно сильной степени раздроблены на пузыри, капли, пленки. Для любе дифференциального объема каждого из таких конечных дискретных элен!1 тов системы, безусловно, справедливы рассматривавшиеся нами ранее общи! дифференциальные уравнения движения и теплопроводности. Точно так жерл любой дифференциальной площадки на поверхностях раздела фаз справеми.
вы рассмотренные ранее условия теплового и механического взаимодействий аа б Ъ г габ ' ппб пг пм пг дб пб уп 1и ббйб т пг П. 1П ббггаам~ Рнс. 21.10. Коэффициент теплоотдачи при кипении воды при атмосферном давлении на различных поверхностях нагрева: П вЂ лату диаметром 9 мм, Ф. П. Мннченко; Х вЂ лату диаметром 11 мм, в.
м, Боряшенскяй! Ф вЂ” летукь дреметром 31 н 45 мм, С.С .Кутетеледее; +-графят диаметрам 9 мм, С . С. Кутетеледее; О— медь диаметром 13 мм, Мек-Адамс: о — ллатнне днеметром 1,4 мм, Ннкейяме: л -хромнроненнея плита, Кнчеллн н Боянлле Однако вследствие весьма большого числа дискретных элементов система, их непрерывного возникновения, роста и деформации в процессе движения и теплообмена весь такой двухфазный поток в целом должен характеризоватьсй некоторыми специальными вероятностными законами системы многих неус.
тойчивых элементов. Здесь в известной степени можно провести аналогию с тур. булентным течением однородной жидкости, в котором для каждого диффе. ренциального элемента справедливо уравнение Навье — Стокса, а весь нотой в целом подчиняется специальным (еще плохо известным) статистическим зэ конам турбулентного течения. Последовательные аналитические методы для таких систем в настояпке время отсутствуют. Решающее значение тут имеют эксперимент и метод подо. бия. Но применение последнего, если не ограничиваться анализом размерности случайно составленного перечня некоторых характерных величин, трь бует принятия определенного метода вывода безразмерных параметров про. цесса. Такой общий метод, введенный автором, основан на допущении того, что в целом все взаимодействия, имеющие место в двухфазном потоке любой слож.
ности, для каждой его отдельной области описываются теми же уравнениями, что и для системы с одной непрерывной поверхностью раздела. Вследствие этого критерии подобия могут выводиться из этих уравнений для всей сложной системы в целом. При этом необходимо дополнительно ввести еще уравне. ния или параметры, определяющие размеры образую1цнхся дискретных элементов потока и вероятность Их распределения в пространстве. 290 На рис.
21.10 приведены результаты ряда опытов по теплоотдаче при развитом стабильном пузырьковом кипении, т. е. когда число центров парообразопаиия достаточно велико, а свободная однофазная тепловая конвекция на пропесс уже не влияет. Отчетливо видна автомодельность относительно размеров поверхности нагрева. Очевидно, что это обстоятельство свидетельствует о равповероятном вступлении в действие статистически равномерно распределенпых центров парообразования. В то же время данные рис.
21.11 показывают известное влияние заселенности поверхности этими центрами. Связь между коэффициентом теплоотдачи и плотностью теплового потока хорошо аппроксимируется логарифмической прямой с показателем степени г1 от0,6 до 0,7. Для массовых расчетов иожно принять, как предложил Д, А.
Лабунцов, ,1ууа (21.5.1) Уп Прн этом коэффициент теплоотдачи определяется по разности температуры поверхности нагрева и температуры насьпцения под плоскостью при данно м давлении в жидкости. Отсюда а А Тв. (21.5.2) 7 УР 14 У!У ДР ДР У~О д.угу ~8т/ыу Характер влияния давления на коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении так же более или менее одинаков для разных жидкостей, если строить эту зависимость в относи- Рис. 2к!!. зависимость а от д по оиытельных координатах, выбранных из со таы с водой (Я=98 !Оз Па) ири различ- ной длительности работы нагрева: ображений термодинамического подобия ВЕщЕСтВ.
ТаКОГО рсда ОбрабОтКа бОЛЬ- средственна паоле начала кипения, Краадер. П вЂ” после длительного кипения в иеограни- ШОГО ЧИСЛВ ОПЫТОВ, ПроВЕДЕННВЯ чеином объеме воды, Якоб, УП вЂ” технически В. М. БОрнщаНСКИМ, ПОКаЗаНа На я тРубка. С. С. Кугагелалзе; уу — гехни- чеекн чистая трубка после нескольких суток рис. 21.12. ВысОта СлОя жидкости Влияет кипячения, с..с. Кугагеладзе на теплоотдачу при кипении тодько тогда, когда становится соизмеримой с .отрывным диаметром генерируемых паровых пузырей. Изучение процесса кипения чрезвычайно сложно в связи с многочисленностью гидродинамическнх и термодинамических факторов, могущих так или иначе на него влиять, и тем, что большинство этих факторов одновременно меняется с изменением давления насыщения.
Поэтому выделение гидродинамической основы механизма теплообмена при кипении является чрезвычайно существенным. Такое выделение возможно на основе введенной автором аналогии процессов кипения и барботажа жидкости газом через пористые поверхности. Опыты, проведенные совместно с И. Г. Маленковым, хорошо подтвердили существование этой аналогии и стабильность законов теплоотдачи через пористые поверхности с большим числом малых отверстий. На рис.
21.13 представлены экспериментальные данные о теплоотдаче при кипении воды и барботаже воды азотом через мнкропористую металлическую пластину. Как видно, имеет место не только качественное, но в значительной мере и количественное согласование этих двух процессов. Здесь и в дальнейшем скорость барботажа определена как отношение объемного расхода газа с единицы полной площади пористой пластины. Соответственно скорость барботажа при кипении (скорость парообразования) определена как ну = ф (гр"). (21.5.3) На рис.
21.14, 21.15 показана зависимость коэффициента теплоотдачи при' барботаже через микропористую пластину при изменении давления и молекулярной массы газа, а на рис. 21. 16 — опыты по влиянию вязкости жидкости на 291 го гб б .е б м еь 50 б,б 000 Щ х Ф бб гбм г х 4 бб 70г г х 4бб 10~ г хб ббб1(г Яр Рис. 21.12. Зависимость ар(ар, от р/р„в по опытным данным с кипением рввгпп. нык жидкостей (а*=а/де г; Р.=О,ОЗр„в) процесс теплоотдачи при барботаже. Все эти опыты проведены вблизи том1 замерзания жидкости, т. е.
при исключенном влиянии испарения. Отчетливо выясняется существование трех режимов развитого пузырьке ного барботажа. Первый режим, при котором интенсивность теплообмена уве личивается с ростом скорости бар(п м' тажа и с повышением давления; вте рой режим, при котором коэффициещ теплоотдачи практически не меняетп 1 со скоростью барботажа; третий ре 1-, жим аналогичен первому, но с мена интенсивным теплообменом. При во1 растании скорости барботажа трете) режим заканчивается эффектом отта.
— пения жидкости от микропорисге) поверхности, т. е. явлением, анапе гичным возникновению пленочноп м' г е и: г г мп г г и' ~ кипения. При этом вязкость жидкосп существенно проявляется только в~ втором (переходном) режиме. Замене. тельно, что изменения плотности газ1 за счет варьирования давления и ие лекулярной массы оказываются ие.
равносильными. На рис. 21.17 описанные экспериментальные данные обобщены в коорди- натах г ~р ~ !ге р)п (Мг(ре,ргв "(ь'( ). Критерии подобия здесь определены следующим образом: (21,5.4) Ип, = — ~г 0 (Р' — Р") Х' У 0 (Р' — Р") (21.5.5) и = — ')гг 292 1аг ео а 101 'б г 104 г 4 10-2 г га-г г 4 10' г 4 10' н,м/с на теплообмен при барботаже ь — 10,25 ° !О' Па; — — оныты Рис. 21.14. Влияние давления воды азотом: Π— 1,02 ° 1О' Па: Х вЂ” З,! 2 ° ! 0' Па; ио кивеиию й 100 я 3- и" г (,а 'г 4 10' г 4 го-' г 4 10' Ь; М/С Рис. 2!.!б.
Влияние молекулярной массы газа на тепло. обмен при барботаже воды (р=1.10' Па): ! ! — аодород; о -гелий; х-азот; + — аргон Рис. 21.16. Влияние вязкости на теплообмен при барботаже (Л= =1 101 Па) для дистиллированной воды (40) и водоглицерино- вых растворов: Π— 5% глицерина; +-10%; Х вЂ” 20%; Π— 30%; С) — 50% 293 101 и го г ' 10' 10-5 г 4 а 10-2 г 4 а 10-1 г 4 а 10' и~т м/с Из рис.
21.18 видно, что автомодельность процесса относительно вязкосп) жидкости хорошо подтверждается внутри каждой серии опытов. Это, по-вши. мому, связано с турбулизирующим действием пузырей и разрушением вязке го подслоя. | г ю-' г о ю' г 4 ю' г 4 1аг г и ю' г (и Ыб~(0' Рис. 2!Л7.
Обобщенная зависимость Нп.(МУ)ре.)аи от )г'ы"/о при барботаже дне. тиллированиой воды (Е1) н водоглицериновых растворов: +-а11 гаанерева; и-1ои: а-аои: е-зои; ш-зои В пределах ~25% эти данные описываются формулой (21.5.~ В общем случае множитель пропорциональности в этой формуле завнап от геометрических характеристик поверхности нагрева, числа Прандтля и кра 10 г Ю ~ г 4 уаа г ~ а Ю г ~ Ю~ г ~ Ю Ф".Я'ве Рис. 21.18. Экспериментальные данные о теплообмене при развитом пузырьковом ка.
пении жидких металлов, воды, спирта, сжижениых газов гериев, характеризующих акт зарождения паровых пузырей. Однако основ. ной эффект учитывается удивительно простой и, очевидно, весьма глубокое по содержанию формулой (21.5.6). Организованное движение жидкости может повысить интенсивность тепло,' отдачи при кипении. Степень этого влияния скорости течения жидкой фаза зависит от соотношения турбулентных возмущений, вызываемых органнзо. винным движением жидкости и собственно процессом парообразования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
