Глава X. Теплообмен при кипении и конденсации (1013639), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Важное внимание уделялось методам интенсификации пленочного кипения и управления его кризисом. Изучение механизма физических процессов рассматривалось как составная часть основных экспериментальных исследований, необходимая для нх правильного проведения, интерпретации и 272 обобщения опытных данных в виде замыкающих эмпирических уравнений. Из рис.
10.14 видно, что при опускном движении в стержневом режиме пленочного кипения давление в канале растет, так как жидкии стержень движется под действием силы тяжести, увлекая за собои пар. 1!ри подъемном движении давление падает во всех режимах и скольакение вв — в ) О. Теплоотдача в стержневом режиме по длине канала уменьшается. В автомодельной области из-за уменьшения недогрева жидкости коэффициент теплоотдачи монотонно снижается. В неавтомодельной области это снижение продолжается еще и благодаря росту толщины паровой пленки, но при достижении К .=К =:-.гр(1 .,— 1,„):.- ) 1О начинается резкое уменьшение м, которое в конце стержневого режима проходит через минимум. Это падение — следствие интенсивного роста толщины паровой пленки. Границей между автомодельной и иеавтомодельной областями стержневого режима пленочного кипения можно считать где К гп Ш ~пи — 4пю Т К вЂ” ! Р>н (Рябо;0 " 10-х ж Рпз ) гг~~ При этом значении К имеем 1 < д lдж ( 1,1.
Границей между стержневым и переходным режимами пленочного кипения служит развал жидкого стержня, который происходит в опускном и подъемном течениях при ~р = — 0,7, что сопровождается резким увеличением поверхности жидкости, ростом парообразования и а, достигающем максимума в агом сечении канала. В горизонтальном канале граница между расслоенным и переходным режимами пленочного кипения определяется равенством критерия гидродинамической устойчивости нара К =- (ш„— гв,„) )/рп~'у'' дс~ (р„, — р,) =-.
4. (10.42) В переходном режиме пленочного кипения к сначала резко, а потом медленно убывает из-за уменьшения теплового потока в жидкость и на испарения, хотя и происходит развал крупных жидких конгломератов на капли. Когда параметр К ..= (в„— ю. ) )/рч/у до (р„— р~) .( 1,3, наступает дисперсно-кольцевой режим пленочного кипения, прн котором крупные капли перемещаются вблизи стенки, постепенно делясь на более мелкие. Дисперсно-кольцевой режим переходит в дисперсный, когда тепловые пограничные слои смыкаются на оси потока.
273 В этих режимах все параметры мало различаются для опускного, подъемного течений и течения в горизонтальном канале так же как и для пленочного кипения, возникающего после на ступления кризиса второго рода при пузырьковом кипении (закризисная область после высыхания жидкой пленки на стенке канала), В горизонтальном канале граница между переходным и дисперсно-кольцевым режимами определяется при К' = ш,)/ р,Л/ хо (р — р ) = 9. (10.43) Граница между дисперсно-кольцевым и дисперсным режимами находится из условия равенства отношений 6,*Я для двухфазного и однофазного потоков, где 1т — радиус канала, а 6,*— толщина потери энергии. В дисперсно-кольцевом режиме обычно и .в =- 2 ... 1,3, а в дисперсном 1,3 ... 1.
При достижении истинным массовым паросодержаннем значения х = 1 дисперсный режим пленочного кипения переходит в однофазный поток пара. Для всех рассмотренных режимов пленочного кипения в МАИ были получены эмпирические уравнения для д, ум, д„т, т, У (у), позволяющие замкнуть систему уравнений (10,30) .. (1 0,38).
Естественно, при расчете захолаживания реальных магистралей большое значение имеют теплообмен и гидродинамика в различных изгибах, вентилях и другой арматуре. Их исследования проводятся и публикуются в специальной литературе. Для сокращения времени и потерь криогенных жидкостей при захолаживании применяют различные методы интенсификации теплообмена при пленочном кипении: используют возможность смещать кризис пленочного кипения и область переходного кипения в сторону высоких температур стенки путем нанесения на внутренние стенки магистралей тонких низкотеплопроводных покрытий. 10.13. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА Конденсация представляет собой процесс перехода пара'или газа в жидкое состояние.
Это явление широко встречается на практике в ряде теплотехнических устройств. Процесс конденсации всегда происходит с выделением тепла, и поэтому он неразрывно связан с явлением теплообмена. Конденсация может происходить как в объеме пара, так и на соответствующих поверхностях теплотехнических устройств (теплообменников, конденсаторов и др.). Спонтанное образование паровых зародышей в объеме жидкой фазы требует перегревов БТп ~( Т„р — Т„ограниченных температурой предельного перегрева жидкости Тар. Аналогично, спонтанное образование зародышей жидкости в объеме пара тре- 274 бует переохлаждения пара 6ТЖ < Т, — Т„,, ограниченного температурой предельного переохлаждения пара Т„р (для воды при атмосферном давлении Т, — Т, ж 220 К, а Т, — Т,р 44 К) При увеличении переохлаждения пара критическйй радиус капли Л„р уменьшается и, следовательно, вероятность спонтанного образования капель с Я )~ Йер в объеме возрастает, Когда переохлаждение достигает своего предельного для данного давления значения Т, — Т„р, число капель с 1с' )~ 1т'„р, возникающих в единицу времени н в единице объема, становится столь большим, что конденсация пара происходит по всему объему, Капли с И < й„р неустойчивы.
Возникнув в результате флуктуаций плотностй, они быстро испаряются. Наоборот, если р > )г„„, то такие капли из-за конденсации на них пара непрерывно растут (если Т, и р постоянны). Капля, находящаяся в термодинамическом равновесии с паром, называется зародышем или ядром жидкой фазы, а ее радиус — критическим: 2о 1 )(нп р Клт, р,/р, (10.44) где о — поверхностное натяжение капли; Я вЂ” газовая постоянная для пара; Р— давление пара; Р, — давление насыщения пара над плоской поверхностью жидкости для данной температуры Т. Отношение рп,'р, > 1 называется степенью перенасыщения пара.
При выводе формулы (10.44) учтено, что под действием поверхностного натяжения давление внутри капли рж больше давления окружающего пара р на величину 2а!р. Спонтанная конденсация пара в объеме часто встречается на практике при течении пара в соплах, в паровых турбинах, в магистралях при наличии резких расширений и т. п. В этих случаях происходит быстрое адиабатное или политропное расширение пара, при котором его температура падает нкже Т, для текущего давления р, следовательно, пар переохлаждается (Т„< < Т,) и перенасыщается (р > р,). В сечении потока, где переохлаждение достигает предельного значения, возникает огромное количество зародышей жидкости с Й )~ й,р.
На этих и новых зародышах со все возрастающей скоростью происходит конденсация пара. Размеры капель при этом растут, и резко растет тепловыделение при переходе пара в жидкость. Это тепловыделение так велико, что пар, несмотря на расширение канала, успевает нагреться до Т, и конденсация прекращается. Поэтому в сечении канала, расположенном по потоку несколько ниже сечения, где Т, достигала Т„п и где образовались зародыши, возникает так называемый скачок конденсации, сопровождаемый ростом температуры и давления пара. Таким образом, процесс конденсации при течении пара в соплах происходит термически неравновесно.
275 Энергия, необходимая для возникновения аародыша жидкой фазы на гладкой твердой поверхности, значительно меньше, чем для образования зародыша в объеме пара. Поэтому конденсация на твердой поверхности начинается при переохлаждении пара, много меньшем предельного. Переохлаждение зто тем меньше, чем больше угол смачивания Й.
Еще меньшие затраты энергии требуются для возникновения новой фазы в углублениях и трешинах. Таким образом, при конденсации пара на твердой поверхности с Т ( Т, зародыши жидкости сначала возникают в углублениях н трещинах с малыми углами раствора, а затем конденсация идет на поверхности этих зародышей. Если жидкость смачивает поверхность !И ( 90'), то эти зародыши растут и сливаются в сплошную пленку жидкости, на поверхности которой в дальнейшем и происходит конденсация пара.
Такая конденсация называется пленочной. В процессе пленочной конденсации температура поверхности жидкой пленки Т, в большинстве случаев близка к Т,, но Т, — Т, > 0 Аналогична, при испарении с поверхности Т„,„ — Т, > О. Этот скачок температур на границе раздела фаз называют тепловым сопротивлением фазового перехода. Величина Т, — Т , зависит от рода жидкости, давления, коэффициента конденсации т1„ и интенсивности фазового перехода. Коэффициентом конденсации или аккомодацни называется отношение числа молекул пара, оставшихся в жидкости, к числу всех молекул пара, столкнувшихся с поверхностью жидкости Пока нет надежных методов его расчета.
Для абсолютно чистой жидкости и нара ~1„1 Однако даже следы примесей могут уменьшить т1„до значений много меньших единицы. Для обычных н криогенных жидкостей при атмосферном давлении (вообще при не очень малом значении р!р„в) разность Т, — Т, в практически важных случаях пренебрежимо мала. Однако при очень малых р1р„р, осооенно для жидких металлов, разность Т, — Т может достигать 10 ... 15 К.
В процессе пленочной конденсации на поверхности раздела фаз выделяется тепло, которое необходимо отводить через пленку конденсата к стенке. Тепловое сопротивление пленки зависит от ее толщины, коэффициента теплопроводности, степени турбулизации, наличия волн на поверхности н т.
п. Поэтому условия отвода конденсата с поверхности и режим течения жидкой пленки наряду с режимом течения пара определяют интенсивность конденсации пара на стенках при заданном значении ҄— Т . Если жидкость не смачивает поверхности, то при конденсации образуется не сплошная пленка, а отдельные капли конденсата на поверхности. В микроуглублениях, трещинах нли на смачиваемых инородных вкраплениях возникают зародыши жидкой фазы. Они растут из-за последующей конденсации на них пара и 276 захвата его молекул, первоначально ог,аа"'г™~к~ абсорбированных на поверхности между каплями, а затем диффуиди- гмм рующих вдоль поверхности к зародышам. При соприкосновении соседних капель друг с другом они сли- ура ваются в общую каплю.
На 1 см". как показали опыты, может рашто- гад лагаться более 1 млн зародышей, а капля в процессе своего роста сар может иметь до 400 000 слияний, и яг и га ~гр пр,в; Коэффициент теплоотдачи при Рвс. 1одо. Зависимость ковФ. капельной конденсации в 2 — 20 раз Фвпаевта тепаоотдачв от угла наклона поверхности к горн. выше чем при пленочной. Большинство используемых в технике жидко- а с - ааа ввтГвас а — а, СтЕй СМаЧИВаЕГ ПОВЕРХНОСТЬ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
