Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 74
Текст из файла (страница 74)
В области перехода пузырькового кипения в пленочное зависимость о = ) (Л)) имеет максимум. Режим, отвечаюший максимальному значению тепловой нагрузки, называют критическим. Критические величины температурного напора, коэффициента теплоотдачи и тепловой нагрузки зависят от природы жидкости и давления, под которым жидкость находится.
Например, для воды при атмосфеРном давлении Л)„р — — 25', аир — — 5,8 ° 104 влт/(ма глад) и д„р = 1,45 1О' вт!м', т. е. при этих условиях тепловой поток больше, чем в начале развитого пузырькового кипения, в 250 раз. При увеличении давления критическая тепловая нагрузка сначала увеличивается, затем уменьшается. Например, для воды максимум критической тепловой нагрузки достигает при абсолютном давлении около 80 бар, а ее значение в 3,2 раза больше, чем при атмосферном давлении.
Анализ опытных данных показывает, что максимум критической тепловой нагрузки получается при р = = (0,3 — 0,4) р„р, где р„р — давление, при котором удельные объемы кипяшей жидкости и сухого насыщенного пара одинаковы. Переход от пузырькового кипения к пленочному сопровождается резким увеличением температуры поверхности нагрева и уменьшением теплового потока и может привести к аварии. Поэтому для получения высокой интенсивности теплообмена в эксплуатации желательно реализовать температурные напоры несколько меньше критических, но близкие к ним.
Для криогенных жидкостей, имеюших низкую температуру насышения, пленочное кипение не связано с чрезмерным повышением температуры поверхности теплообмена и опасностью ее разрушения. С другой стороны. низкие значения коэффициентов теплоотдачи при пленочном кипении способствуют уменьшению потерь жидкости в процессе самопроизвольного кипения. Поэтому для криогенных жидкостей режимы пленочного кипения представляют практический интерес. Следует заметить, что величины критической тепловой нагрузкц при переходе от пузырькового кипения к пленочному д„р, и при обратном переходе д„е, получаются различными.
Величина дар, значительно больше, чем д„рс В дальнейшем рассматривается только критическая тепловая нагрузка, соответствующая переходу от пузырькового кипения к пленочному. Сложность процесса теплоотдачн при кипении, статистический характер основных параметров, определяющих процесс кипения (число действующих центров парообразования, частота отрыва пузырьков, диаметр пузырька в момент отрыва*), позволяют описать си- * При одинаковых условиях пропесса зти параметры могут иметь существенно отличные значения в различных участкак поверхности нагрева. 4оз стемой дифференциальных уравнений только наиболее вероятное протекание этого процесса при определенной его схематизации.
Для обобщения опытных данных по теплоотдаче при пузырьковом кипении возможны различные системы чисел подобия. Наиболее широко известны уравнения подобия, предложенные Г. Н. Кружилиным, Д. А. Лабунцовым и С. С. Кутателадзе совместно с В. М. Боришанским. Рассмотрим результаты обобщения опытных данных по теплоотдаче при пузырьковом кипении и по величине критической тепловой нагрузки на основе системы чисел подобия, предложенных Д. А. Лабунцовым. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при пузырьковом кипении различных жидкостей привело к следующему уравнению: Ип,=еК," Рг,'~~, (12.2) гле а!* Мп= —; К=— Л гр» г — теплота испарения жидкости; 1с — характерный размер, величина которого пропорциональна диаметру пузырька в момент зарождения и определяется формулой еТ, р' сс (р" с)» (Т, — температура сухого насыщенного пара; р' и е,' — плотность и теплоемкость кипящей жидкости!.
Уравнение (12.2) обобщает опытные данные при К, = 1О-'— — 10' и Рг, = 0,86 — 7,6. При К, ) 10 ' необходимо приниматье = 0,125, п = 0,65; при К, (!О' — е = 0,0625, п = 0,5. Для расчета кипения жидких металлов и К, = 0,01 показатель степени при числе Прандтля принимается равным показателю степени при числе К. Все физические параметры жидкости в уравнении (!2.2) выбираются по Т,. Для конкретных жидкостей расчетные формулы существенно упрощаются. Например, для пузырькового кипения воды при р = = 1,0 — 40 бар а= 3,14е '" р ' вт/(м'град), (12.3) При Рг' = †, = 0,86 — 13,1 величина критической тепловой а' нагрузки определяется уравнением Р = 68Аг4~з Рг,', (12,4) где !с а!* р~ рФ нр гр" ч т~ Р' Рассмотренные формулы правильно характеризуют процесс теплообмена только для смачивающих жидкостей.
Если жидкость 409 яе смачивает поверхность*, то пузырьки имеют форму, показанную на рис. !2.2, б. В этих условиях кипение всегда сопровождается образованием паровой пленки у поверхности нагрева, и потому коэффициенты теплоотдачи имеют небольшие значения. Изучение пузырькового кипения показывает, что при больших давлениях интенсивность теплообмена выше, так как больше число действующих центров парообразования и частота отрыва пузырьков. Форма и размеры поверхности нагрева практически не влияют на коэффициент теплоотдачи. Высота слоя жидкости также не влияет на интенсивность теплоотдачн, если она больше 20 — 30 мм, Материал и состояние поверхности нагрева влияют на интенсивность теплоотдачи только в начальный период ее работы.
По истечении некоторого времени поверхность приобретает «собственную» шероховатость, которая главным образом зависит от природы жидкости. Критическая тепловая нагрузка зависит от шероховатости и ориентации поверхности нагрева. Шероховатость повышает величину критической тепловой нагрузки; для вертикальной плоскости критическая нагрузка больше, чем для горизонтальной $2. Теплоотдача прм кипении в условиях движения жидкости по трубам Теплоотдача при кипении жидкости, движущейся по трубам и каналам, имеет ряд особенностей, которые обусловлены изменением температуры стенки и жидкости вдоль трубы.
Температура насыщения по длине трубы уменьшается благодаря уменьшению давления из-за гидравлического сопротивления. По условиям теплообмена трубу можно подразделить на три участка. 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 конденснруются 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. Характер влияния скорости потока на коэффициент теплоотдачи при кипении зависит от величины тепловой нагрузки.
При не- ' Например, ртуть ие смачивает стальную попер«кость. 410 большой тепловой нагрузке коэффициент теплоотдачи целиком определяется условиями движения и практически не зависи! от величины д. При очень больших тепловых нагрузках влиянием условий движения на интенсивность теплообмена можно пренебречь, так как коэффициент теплоотдачи целиком определяется процессом кипения и подчиняется таким >ке закономерностям, как и при кипении в большом объеме. Существует также область режимов, где влияние движения жидкости и процесса кипения на теплообмен сопоставимы, и коэффиш1епт теплоотдачи зависит от обоих факторов.
!х!а„ 100 00 00 00 д б ? 04050бдд ! 2 4 б В >0 Л 40 0000!00 ар(а„ Ркс. 12.4 Д. А. Лабунцов обработал опытные данные по теплоотдаче кипящих жидкостей, движущихся по трубам, при паросодержании, не превыша>ощем 70оч, в виде зависимости [12.
5) где а — коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости с учетом ее движения; а,„— коэффициент теплоотдачи однофазиой жидкости при скорости ш; а — коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипений в большом объеме. Эта зависимость показана на рис. 12.4. Из графика видно, что при ч < 0,5 процесс кипения не влияет на теплообмен, и потому Яэ 411 а = а„, При — 4 ) 2 интенсивность теплоотдачи определяется а,„ только кипением, и потому а = а,. Для области, где коэффициент 1а4 теплоотдачи зависит от скорости потока в тепловой нагрузки ( — 4 = а,„ = 0,5 — 2), рекомендуется следующая интерполяцион пан формула: а 4а„, +а~ а 5а„,— ач (12.6) д„р —— д„р ~1+0,065( ~ ) ' — ~, (12.7) где д„р~ — критическая тепловая нагрузка при кипении недогретой жидкости; О = („— Г; 1 — средняя температура жидкости; с — теплоемкость жидкости.
При длине трубы меньше 8 — !О диаметров увеличение длины сопровождается уменьшением критической тепловой нагрузки; при 1 ) (8 — !О) 4( критическая тепловая нагрузка не зависит от длины трубы. Пульсации потока увеличивают д й 3. Теплоотдача при конденсации При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, происходит конденсация. Конденсат выпадает на стенке в виде капель или пленки, т. е. конденсация может иметь капельный или пленочный характер. Возможна и сме- 412 Коэффициент теплоотдачи при кипении зависит ог содержания растворенных в жидкости газов. Пузырьки газа служат дополнительными центрами парообразования и потому интенсифицируют теплообмен. Рассмотренные выше уравнения относятся к дегазированной жидкости. При содержании газа 0,06 — 0,3 смЧл коэффициент теплоотдачи увеличивается на 20 — 60% по сравнению с кипением дегазированной жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
