Теория тепломассообмена Э.Р. Эккерт Р.М. Дрейк под ред. Лыкова (1013696), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Результирующее соотношение для вертикальной стенки идентично с урав~лнием (12-9), с единственным отличием: плотность р в ~этом уравнении должна быть заменена разностью (р, — р,) плотностей жидкости и пара. Иными словами, в уравнение должны быть введены характеристики пара. Было найдено, что соогношение для горизонтальной трубы, аналогичное уравнению (12-9), находится в согласи~и с экспериментальными результатами, когда вводилась поправка, учи.
тывающая, что перенос тепла радиацией через пленку пара увеличивает толщину пленки пара и что жидкость оказывает трение на движущуюся пленку пара. Очень важно .получить соотношение, которое позволяет определить пиковый поток тепла, имеющий место при пузырчатом кипении в точке выгорания. Основываясь на предыдущих работах Кутателадзе ]Л.
238], Розенова и ГриФфита (Л. 239], Цубер ]Л. 240] смог получить такое уравнение аналитически путем рассмотрения устойчивого состояния ~пленки пара и жидкости при условии, что они движутся относительно друг друга Считая две жидкости невязкими и движущимися под влиянием снл тяжести и поверхностного натяжения, он получил следующее уранне- 4ЗЯ н . ~К(Рг Ре) г'( Рг+ Рк Ь ( 2 (8) ра „(~ г где 1„ — теплота испарения; р, — плотность пара; р, — плотность жидкости; о — поверхностное натяжение на жидкость.
поверхности пар— На рис. 12-1! приведено сравнение этого уравнения, представленного в безразмерном ~виде, с екоперименталь- ш г дг 1 го Г + длил.~гг — у-е ~ — ", м/чл/О ~ ~дУ,:У~ ТР„ а Рнс. 12-11 Соотношение длн теплового потока в точке выгорании и сравнение с экспериментальными результатами [Л. 377Р 429 ние длЯ максимального теплового потока гРв в точке вы- горания: йИми результата~ми,,полученными при различных .и6следованиях и с различными жид~костями. Оказывается, что согласие, которое можно считать очень удовлетворительным, означает, что,поверхностное условие не влияет на перенос тепла в точке ~выгорании.
Соотношение Цубера справедливо для бассейнового кипения с чистым испарением. Экапериментальио установлено, что при локальном кн~пении максимальный тепловой поток значительно выше (в 4 раза больше). Вынужденная конвенция также увеличивает максимальный тепловой поток. Тот факт, что коэффициенты теплообмена от поверхности в кипящую жидкость очень велики, делает этот процесс очень эффективным для охлаждения. Например, этот процесс используется при регенераги~вном охлаждении стенок камер сгорания ра~кет. При этом применении одно из топлив продуваепся вдоль стенки камеры сгорания. Обычно тепловой ~поток настолько велик, что локально температура насыщения жидкости превышена и образование пузырьков зхроисходит рядом со стенкой.
Однако ~внутри охладителя температура ниже, чем температура испарен~ия, и пузырьки ~разрушаются, ~как только они отделяются от поверхности .и ~проникают внутрь жидкости. Этот процесс переноса тепла должен быть охарактеризован как ~вынужденно-канвекти~вное локальное кипение. Он .и~нтенсивно изучался ~в последние годы. Если, например, вода продувается через трубку и если трубка ~нагревается снаружи, то тепловой поток на единицу площади стенки трубы подчиняется закону, показанному на рис.
12-12, который ~представляет результаты экспериментов Розонова и Кларка [Л. 24!1. Сначала тепловой поток возрастает с увеличением разности между температурой стенки и всей температурой с той же скоростью, что и для вынужденного потока с испарением (линия Колбэрна). Однако ка~к только происходит образование пузырьков на поверхности, увеличение теплового потока становится очень быстрым и требуемая температурная разность почти ие зависит от величины теплового потока. В то же ~время найдено, что различные кривые, показаыные на рисунке, завис~ят от величины температуры насыщения.
Розенов и Кларк показали, что эти кривые можно свести в одну линию путем нанесения ~на график теплового потока на единицу площади, выраженного через разность между температурой стенки и температурой насыщения вместо температуры стенки минус объемная температура. 4ЗО Это показывает, что основное сопротивление тепловому потоку сосредоточено возле поверхности и на него оказывает большее влияние температура ~насыщения, чем объемная температура. Тот факт, что в области пузырчатого кипения вынужденный поток имеет небольшое влияние яа перенос тепла, был указан ра~ньше.
Возникают особые условия, когда кипение .происходиг Н аал1м ге ед ууl гоггв говуг в,му г.ги г,вгв ьовв овм ГВВ гг,г гго УВ,У,ЬУ ВДВ Вв,а Нав гоко Рис. 12-12. Перенос тепла прн локальном кипении длк турбулентного вынужденного потока через трубу (Ы = 0,18 дюйма; Ке = 3 1О') 1Л. 378р внутри длинных трубок, как в паровых котлах или в испарителях. Смесь жидкости и пара продувается через трубки в ~виде ~вынужден~ного иЛи же свободно конвективного потока. Это обусловливает ~падение давления и перенос тепла. $3! Для более тщательного обсуждения и для эмпирических соотношений, описывающих этот двухфазный:поток, и других случаев теплообмена ~при испарении сделаны ссылки на литературу !Л.
2421 здддчи 12-1. В конденсаторе надо конденсировать 9 060 кг(ч водяного пара при давлении О,1 кг(смз. Греющая поверхность состоит из горизонтальных медных трубок диаметром 30 лм с толщиной стенок 1 мзь Длина труб 2,73 м; количество охлаждающей воды 362400 кг(ч; ее температура на входе 44,6' С и ее скорость в трубках 1,8 м(сек.
Сколько трубок должно быть в конденсаторе? 12-2. Вычислите толщину конденсаяной пленки па горизонтальной трубе, предположив, что толщина пленки мала по сравнению с диаметром трубы, путем использования метода, применяемого в 5 12-1. ЧАСТЬ С ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Основные положения. Все вещества — твердые тела, а также жидкости и газы — лри нормальны~к и особенно при повышенных температурах выделяют энергию в виде излучения и обладают способностью ~поглощать такую энергию.
Поэтому все,процессы теплообмена ~в большей или меньшей степени сопровождаются лучистым теплообменом. В некоторых случаях лучистый теплообмен так мал, что им можно пренебречь, или его природа такова, что ои просто включается в кондуктивный теплообмен. Это обычно случается с твердыми и жидкими телами. В газах, однако, лучистый теплообмен |настолько отличается по своей природе от кондуктивного и конвективного теплообмена, что его надо рассматривать отдельно. Часть С ~посвящена лучистому теплообмену.
Расчеты кондукти~вного или конвектввного теплообмена в частях «А» и «В» начинались всегда с балач>са энергии в элементе объема, и для составления такого баланса было достаточно знать состояние среды, окружающей элемент. Эти состояния можно выразить градиентами параметров состоя~пня, особенно температуры, и в результате записать баланс энергии в виде дифференциального урпвнения, При лучистом теплЬобмене положение обычно является более сложенным.
Допустим, например, что мы хотим изучить лучистый теплообмен в камере сгорания реактивного д~вигателя или ракеты. Для ~этой,цели должен быгь составлен баланс энергии в малом .произвольно раюположенном элементе объема. При рассмотрении прироста энергии газа, содер>кашегося в этом элементе объема, оказывается, что газ поглощает лучистую энергию, испускаемую другими его элементами или элементами твердых стенок, даже в том случае, когда онн расположены иа значительном расстоянии. Поэтому баланс энергии зависит не только от состоя- 28 — 308 433 ния, и уравнение, описывающее этот баланс, является интегро-дифференциальным.
Такое ура~внешние трудно решить, и практически все технические расчеты базируются на упрощающих допущениях. Второй фактор,,который делает лучистый теплообмен более сложным, чем кондуктивный или даже,конвектимный, связан с тем фактом, что излучательные свойства различных веществ, ~встречающихся:в техяике, описать гораздо труднее, чем, например, теплопровод~ностьч знание ~которой необходимо для описа~ния процесса теплопроводности.
Поэтому гл. 13 будет посвящена, рассмотрению излучательных свойств твердых, жидких и газообразных тел. Лучистый теплообмен будет рассматриваться,в гл. 14. Лучистая энергия, испускаемая ~веществом, значительно возрастает с температурой. Вследствие этого при высоких температурах лучистый теплообмен становится преобладающим. Многие процессы,в:новых областях техники происходят при ~высоких температурах, и знание лучистого |еплообмена становится очень важным для проектирования соответствующего оборудования. Сюда относятся атомные электроста~нции, газовые турбины и различные реактивные устройства для летательных аппаратов, сна~рядов, стэутников и ~межпланетных кораблей.
Особенно серьезные проблемы охлаждения, вызванные лучистым теплообменом, будут связаны с термоядерными установкамистемпературай порядка миллиона градусов. ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ СВОЙСТВА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Тепловые лучи,во время прохождения через простраи. ство обнаруживают,все характерные черты ~волн, Так, когда пучки лучей, исходящие из одного и того же источника и проходящие различными, путями, соединяются~вновь, наблюдается я~аленке «интерференции», Их также можно поляризовать, т.
е. заставить колебаться только,в определенном направлении, ~пропуская через соответствующие фильтры. Это показывает, что эти лучи представляют собой поперечные волны, колеблющиеся в направлении,,перпендикулярном их распространению, т. е. представляют собой колеблющееся электромагнитное поле. Их мрирода тождественна природе других электромагнитных волн, таких, как рентгеновские лучи, лучи видимо- 134 го света и волн, используемых для беспроволочной связи. Все эти лучи распространяются, приблизительно с одина.ковой скоростью. В вакууме скорость всех электромагнитных волн следующая: с =3 10" ск/сек. В другой среде скорость несколько меныпе, и ее можно вычислить по показателю преломления: с, В=в с где с означает скорость в раоаматриваемой среде.
Разные электромагнитные волны, различаются только длиной волны Х. Шкала, изображенная на рис. 13-1, показывает, как классифицируются волны по их длина~м. Длина ~волны на этом рисунке измеряется в различных масштабах. Для теплового излучения удобным является масштаб 1 мк= Гб — 4 см Молекулярные измерения (диаметр молекулы, расстояние между молекулами) имеют величину,поряд~на 1, когда они ~выражены в ангстремах. Глаз человека чувствителен к лучам в интервале 0,40— 0,70 мк. Излучение нагретых тел охватывает длины волн 0,3 — 1О мк и более.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
