Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Критическая нагрузка также зависит от скорости потока, причем эта зависимость имеет место даже и для таких условий движения, при которых коэффициент теплоотдачи от скорости не зависиг. Вынужденное движение жидкости вдоль поверхности нагрева затрудняет образование паровой пленки, поэтому с увеличением скорости течения критическая тепловая нагрузка возрастает. При кипении недогретой жидкости критическая тепловая нагрузка больше, чем при кипении жидкости, имеющей температуру насыщения. Это обусловлегю тем, что поступление недогретой жидкости из ядра в пристеночный слой способствует разрушению паровой пленки. Влияние недогрева жидкости на критическую тепловую нагрузку моя<но оценить следующей эмпирической формулой: На основе формулы Ньютона ч =а(г,— г ), Здесь 6 — толщина пленки; Л вЂ” коэффициент теплопроводно- сти конденсата; а — коэффициент теплоотдачи. Следовательно, Л а= —.
6' (12.8) 413 шанная конденсация, когда часть поверхности покрыта пленкой, а часть — капельками конденсата. Наиболее часто в технических устройствах встречается пленочная конденсация. Капельная конденсация наблюдается только в случаях, когда жидкость не смачивает поверхность. Освобождающаяся при ионденсации теплота передается холодной поверхности. При пленочной конденсации пар отделен от стенки слоем конденсата, который создает значительное термическое сопротивление тепловому потоку. При капельной конденсации возможен не- О У посредственный контакт пара со стенкой, и потому теплообмен протекает во много раз более интенсивно, чем при пленочной конденсации. 6р На рис.
12.5 показано темпера- ~ . ~ 16 турное поле при пленочной конденсации перегретого пара около вертикальной стенки, движение пленки по 1 которой имеет ламинарный характер. Как видно из рисунка, температура поверхности конденсата несколько ниже температуры насыщенного пара. Для водяного пара при атмосферном давлении зта разница составляет 0,02 — 0,05' .Ламинарное течение пленки наблюдается только в верхней части вертикальной стенки. Затем на поверхности пленки возникают микроволны, благодаря которым средняя толщина пленки и ее термическое сопротивление уменьшаются. Однако сама пленка на некотором участке поверхности остается ламинарной. При дальнейшем увеличении толщины микровблны приводят к возникновению турбулентных пульсаций, и течение в пленке становится турбулентным.
Рассмотрим сначала теплоотдачу при конденсации насыщенного пара и ламинарном течении пленки. Пренебрегая конвективным переносом теплоты в пленке, запишем приближенно тепловую нагрузку формулой теплопроводности Л Ч = — (1 в — 1~). 6 Из этой формулы видно, что уменьшение толщины пленки конденсата может служить средством интенсификации теплообмена.
Например, постановка конденсатоотводных колпачков на вертикальную трубу через каждые 10 см приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в 2 — 3 раза. Расчетные формулы для определения коэффициента теплоотдачи при ламинарном движении пленки могут быть получены теоретическим и экспериментальным путем.
Теоретическое решение задачи основано на определении толщины пленки из условия равновесия снл трения, тяжести, поверхностного натяжения и инерции для элементарного объема конденсата с последующим определением коэффициента теплоотдачи по формуле (12.8).
Впервые такое решение для ламинарной пленки получено Нуссельтом в 1916 г. Местный и средний коэффициенты теплоотдачи при конденсации неподвижного насьпценного пара, найденные на основе теории Нуссельта для вертикальной стенки, определяются формулами: а= 0,943 ! ~~ 1 (12. 10) 1 и (г. — гю) а .) Здесь д — ускорение силы тяжести; р, Л и р — плотность, иоэффициент теплопроводности и динамический коэффициент вязкости конденсата; г — теплота парообразования; х — расстояние до рассматриваемого сечения (рис. !2.5); л — высота стенки.
П. Л. Капица показал, что средний коэффициент теплоотдачи благодаря волнообразованию увеличивается на 2! О4 по сравнению с его величиной, рассчитанной по формуле Нуссельта. С учетом этой поправки теоретические формулы удовлетворительно согласукпся с экспериментом. Формула для среднего коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы„полученная на основе теории Нуссельта, имеет вид а=0,723! ~~ 1! (12. 11) (иы.— г )Лз' где й — наружный диаметр трубы. Физические параметры конденсата в формулах (12.9), (12.!1) рекомендуется выбирать по температуре 1,. Режим течения пленки можно оценить по числу Рейнольдса, выраженному через среднюю скорость жидкости ш и среднюю толщину пленки 6 Йез =— (12. 12) При стационарном режиме теплообмена теплота конденсации равна теплоте, переданной стенке.
Поэтому для поверхности высотой х и шириной 1 м можно записать а(е,— г )х=-глбр». (12. 13) 4!4 Подставив значение б из выражения (12.13) в соотношение (12.12), получим . ап,— г )х Кеа = /и При Рез ~ 400 течение пленки носит турбулентный характер. Методика расчета теплоотдачи в этих условиях рассмотрена в [91. Шероховатость поверхности способствует уменьшению скорости пленки и ухудшает интенсивность теплообмена. Влияние перегрева пара на коэффициент теплоотдачи невелико.
При использовании формул (12.9) — (12.11) для расчета теплоотдачи в условиях конденсации перегретого пара вместо теплоты испарения г надо подставлять г + г)г, где И вЂ” теплота перегрева пара (И 1„— Г ). Если пар содержит примеси неконденсирующихся газов, то эти газы скапливаются около поверхности охлаждения и резко ухудшают интенсивность теплообмена. Так, 2% содержания воздуха в паре приводят к уменьшению коэффициента теплоотдачи в три раза. Средний коэффициент теплоотдачи поверхности зависит от ее формы и взаимного расположения элементов. Коэффициент теплоотдачи для одной горизонтальной трубы больше, чем для вертикальной, но при многорядном расположении горизонтальных труб нижние ряды будут иметь значительно меньший коэффициент теплоотдачи из-за попадания на них конденсата с верхних рядов.
Вынужденное движение пара влияет на величину коэффициента теплоотдачи. Движение пара вдоль вертикальной поверхности вниз увеличивает скорость течения пленки, уменьшает ее толщину и увеличивает коэффициент теплоотдачи. Когда направления движения пара и пленки противоположны, то при небольшой скорости пар тормозит пленку и ухудшает интенсивность теплообмена, но при дальнейшем увеличении скорости пленка сдувается паром, и коэффициент теплоотдачи увеличивается. При увеличении давления влияние скорости пара на коэффициент теплоотдачи при конденсации усиливается.
Значительно более сложный механизм имеет теплоотдача при конденсации пара, движущегося внутри трубы. В этом случае внутри трубы имеют место два потока — поток пара и поток конденсата, взаимное воздействие которых зависит от направлений их движения и скорости пара. При вертикальном положении трубы эти направления могут быть одинаковыми или противоположными. При горизэнтальцом попожении трубы движение конденсата может определяться только взаимодействием его с потоком пара, только силами тяжести или одновременным воздействием этих факторов.
Скорость пара при движении его по трубе уменьшается; при полной конденсации пара его скорость на выходе равна нулю. Режим течения пара может быть ламинарным или турбулентным, причем турбулентное течение из-за уменьшения скорости на некотором рас- 4!5 стоянии от входа может превратиться в ламинарное. Пленка также может иметь ламинарный и турбулентный режим течения. Сложность явления и многообразие возможных ситуаций не позволили пока получить полное решение этой проблемы. Но отдельные вопросы этой проблемы решены. Так, для турбулентного режима течения пленки конденсата в условиях, когда движение пленки определяется ее взаимодействием с движушнмся паром, Е.
П. Ананьев, Г. Н. Кружилин и Л. Д. Бойко предложили теоретическую формулу, полученную на основе связи между трением и теплоотдачей. Для местного коэффициента теплоотдачн 'ч)о=0,023г(е 'Рг ' 1+( р, — 1) х (12.14) 1 р" Здесь Ин = —; Гхе= —, си1 . 40см Хт ' ГР, где О,м — массовый расход смеси; р' и р" — плотность жидкости н пара; х — массовое паросодержание в рассматриваемом сечении; Х и р — Коэффициент теплопроводности и динамический коэффициент вязкости жидкости. За определяющую выбрана температура наськцения. й 4. Теплоотдача при подводе инородного газа в пограничный слой В системе пористого охлаждения* газ-охладитель продувается через пористую стенку и выходит на поверхность, омываемую горячим потоком газа (рис.
12.6). Поперечный поток охладителя на поверхности соприкосновения горячего газа со стенкой изменяет условия течения в пограничном слое. Вытекаюший из пор охладитель уменьшает скорость движе- ния горячего газа вблизи стенки, а расход газа в пограничном слое возрастает за счет добавки охладителя. Поэтому увеличивается толщина динамического пограничдхла до тела ного слоя (рис. 12.7, а).
Уменьшение градиента скорости у поверхности стенки приводит к уменьшению напряжения трения. Подвод инородного газа к поверхности теплообмена ведет к уменьшению устойчивости ламинарного слоя, и потому переход к турбулентному пограничному слою происходит при меньших значениях числа Гхе. * Система оористого охлаждения рассматривается в главе ХЧ1, ч. !1. 416 При подводе охладителя к поверхности теплообмена увеличивается также толщина теплового пограничного слоя, н температурное поле приобретает вид, показанный на рис. !2.7, б. Диффузионный и конвективный потоки охладителя направлены в сторону, противоположную тепловому потоку, и потому интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой уменьшается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
