Теория тепломассобмена (Леонтьев) (1062552), страница 60

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 60)

Помимо физических констант, которые необходимо знать для оденки конвективного переноса теплоты, для расчета тепло- обмена при кипении дополнительно следует учесть те, которые определяют процесс парообразовання. Теплота парообрвзования г (килоджоули на килограмм) характеризует количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг жидкости, нагретой до температуры насыщения для перевода ее в пар. Численное значение теплоты парообразования уменьшается с повышением давления (температуры) н в критической точке г = О. Коэффициент поверхностного натяжения и (ньютон на метр) характеризует равновесие сосуществующих фаз; при повышении температуры его значение уменьшается.

Краевой угол й характеризует смачиваемость материала поверхности кипящей жидкостью. Когда д < 90о, жидкость смачивает поверхность, если д > 90о — нет. При разработке методов расчета конвектнвного теплообмена при кипении жидкости необходимо определить: 1) условия, при которых на данной поверхности нагрева начинается процесс кипения; 2) интенсивность конвективного теплообмена при кипении жидкости; 3) условие возникновения кризиса теплоотдачи при кипении.

У111.й.й. Возникновение иктпивной паровой фазы Хотя процесс теплообмена является типичным неравновесным продессом, для определения момента закипания жидкости удобно воспользоваться условиями термодинамического равновесия двухфазной системы жидкость — пар: бвб (ЧП!.100) ар г рире Тк (ри ра) Рвс. Ч111.31. Изменение ве- личины 1/Й в зависимости от объема пузыря у, (д' — кри- тическое значение) Рис.

Ч!П.ЗО. Илеализвровев- вая коввческаа впадина с уг- лом контакта 90' г(Тст зе) ре Ьр = Те (1 — ре(ри) (ЧШ.101) 1) равенство температуры жидкой и паровой фаз; 2) равенство химических потенциалов жилкой н паровой фаз; 3) в случае, когда поверхность раздела фаз имеет форму сферы, давления в жидкой и паровой фазах связаны уравнением Лапласа где  — радиус сферы. Допустим, что пар занимает часть микровпадины на поверхности нагрева и первоначальный радиус кривизны поверхности раздела фаз равен Я», а краевой угол между стенкой и поверхностью раздела фаз составляет 90о (рис.ЧП1.20).

Попустим, что система находится в термодинамнческом равновесии. Для того чтобы вывести систему из положения равно- весим в сторону роста пузырька, необходимо иля уменьшить давление в жидкости, или увеличить ее перегрев. Предположим, что мы постепенно, так, чтобы в каждый момент времени сохранялись условия термодинамического равновесия, будем увеличивать температуру жидкости и пара.

Это приведет к росту объема паровой фазы. На рис. Ч?11.21 показана зависимость радиуса сферической поверхности раздела фаз от объема пара. После состояния 1, ко- гда поверхность раздела достигнет устья микровпадины, дальнейшее увеличение объема паровой фазы сопровождается уменьшением радиуса кривизны поверхности раздела до тех пор, пока краевой угол не достигнет своего характерного значения (в данном случае 90о). Лальнейший рост паровой фазы сопровожда ется увеличением радиуса кривизны и уменьшением перегрева жидкости, необходимого для термодинамического равновесия. Таким образом, имеется минимальный радиус кривизны поверхности раздела фаз, соответствующий максимальным перегревам жидкости.

Этот радиус называется критическим. Если принять, что критический радиус зародыша однозначно связан с радиусом микровпадины (в рассмотренном примере они просто равны), то для шероховатой поверхности нагрева можно опредейить те перегревы жидкости вблизи стенки, т.е. ту температуру атонии, при которой образуется активная паровая фаза, Когда перегрев ниже величины, соответствующей критическому радиусу, паровые пузырк (зародыши) могут заполнять микровпади- аМ, но будут неподвижнымн.

Если перегрев больше критическойз, начнется непрерывный рост паровых пузырей до отрывного диаметра, т.е. начнется процесс кипения. По мере увеличения перегрева количество активных центров йарообразования возрастает, так как в процессе начинают участвовать микровпадины с меньшими размерами. В целях количественного определения превышения температуры стенки над температурой насыщения, необходимого для возникновения активной паровой фазы, воспользуемся уравнением Лапласа (ЧП1.100) и уравнением Клапейрона — Клаузиуса Переходя от производных к конечным разностям и принимал, что температура жидкости равна температуре насыщения, получаем Приняв, что ри/рм < 1, из решения уравнений (ЧШ.100) и (ЧП1.101) имеем Т,т — Т, = 2оТи((гриК). (ЧП1.102) Из полученной зависимости следует, что чем меньше радиус микровпаднны, тем больше перегрев стенки, необходимый для возникновения процесса кипения.

При увеличении давления необходимый перегрев жидкости уменьшается. Эти выводы подтверждаются экспериментом. Однако из той же формулы видно, что с увеличением радиуса микровпадин перегрев стенки, необходимый для начала кипения, уменьшается. Эксперименты показали, что для данного перегрева существует определеыный диапазон размеров мнкровпадин от Вю;,„до Вюьк, которые являются активными центрами парообразования.

Формула (ЧП1.102) определяет только минимальные размеры микровпаднн. Это объясняется тем, что при выводе формулы было сделано предположение о равенстве температуры пара в паровом зародыше температуре стенки. В действительности вблизи поверхности нагрева существует тонкий слой жидкости, в котором температура изменяется от своего значения на стенке до температуры в основном объеме (в случае кыпения в большом объеме — до температуры насыщения). Паровые зародыши на микровпадинах с относительно большим радиусом могут выходить в тепловой пограничный слой.

В результате средняя температура пара в пузыре будет меньше температуры стенки и этот центр будет неактивным. р7П.8.8. Механизм процесса тпеплообмена при пузырьковом кипении жидкостпи в условиях свободной конвекции Кипение жидкости на поверхности нагрева является исключительно сложным процессом, и в настоящее время не существует строгой теории теплообмена при кипении жидкости. В настоящее время имеется много подходов к описанию процессов конвективного теплообмена при кипении жидкости.

Эти исследования основаны на различных физических моделях, используюшых те или иные допущения н упрощения. Как показывают опыты, количество теплоты, передаваемой непосредственно пузырькам пара за время их роста на поверхности нагрева, обычно невелико по сравнению с полным количеством теплоты, подведенной к поверхности. Это обстоятельство позволило ряду авторов (Кутетеладзе, Кружилину, Фостеру, Якобу и др.) выдвинуть гипотезу о том, что основной причиной интенсивного теплообмена при кипении является турбулизация пограничного слоя жидкости пузырьками пара, образующимися на поверхности нагрева. Согласно этой схеме, пузырьки пара, растущие на поверхности нагрева, отбрасывают слои перегретой жидкости в основной объем, а на место оторвавшихся от поверхности пузырей поступают порции холодной жидкости. Оба эти процесса способствуют интенсификации теплообмена при кипении. Однако имеется ряд экспериментальных фактов, ые подтверждающих изложенную физическую модель.

Например, измерение температуры стенки непосредственно под активным центром парообразования с одновременным фотографированием пузыря показало, что в период его роста на поверхности нагрева температура стенки уменьшается, а после его отрыва — увеличивается. Такой характер изменения температуры стенки во времени противоречит тому, который следовало бы ожидать по изложенной выше физической модели.

Непосредственное измереные относительной доли теплоты, идущей на испарение жидкости, проведенное в широком диапазоне изменения параметров, показывает на существенное увеличение доли теплоты испарения в общем балансе теплоты с ростом давления и тепловой нагрузки (рис.

ЧП1.22). Пругая гипотеза, объясняющая высокую эффективность теплообмена при кипении жидкости, основана на предположении об интенсивном испаренин мыкрослоя жидкости под пузырем за время его роста. Согласно этой гипотезе, уменьшение температуры стенки под паровым пузырем объясняется иытеысивным испарением и соответственно охлаждением микропленки. После Рпс.

ЧП1.33. Схема процесса теплообмепа прп пузырьковом Рпс. Ч1П.33. Зависимость дола теплового потопа, пдувпего па парообразоаанпе, от В„/В,р отрыва пузыря к центру парообразования подтекают слои перегретой жидкости,и температура стенки начинает увеличиваться, пока не достигнет критического значения, при котором центр парообразования становится активным. В области относительно небольших тепловых нагрузок и давлений суммарнвл плотность теплового потока пропорциональна тепловому потоку, идущему на парообразование на поверхности. Этот факт объясняется тем, что турбулизацня пограничного слоя пропорциональна объему и количеству паровых пузырей, образующихся на поверхности нагрева. Согласно модели, предложенной С.С. Кутателадзе и А.И.Леонтьевым, интенсивность теплообмена в этих условиях определяется циркуляцией жидкости в ячейках между действующими центрами парообразования (рис.

ЧП1.22). В окрестности действующих центров парообразования часть жидкости испаряется в паровые пузыри, а основная масса жидкости в пристенном слое увлекается растущими на поверхности нагрева н поднимающимися в объем пузырями. На место увлеченной и испарявшейся жидкости поступают свежие порции из основного объема, возникает интенсивная цирку- ляция жидкости, приводящая к увеличению теплоотдачи. Течение жидкости между центрами парообразования можно отождествить с обтеканием лобовой части тупоносого тела, а конвективный теплообмен рассчитать по формулам, приведенным в гл.

Ч1. Расход подтекаюшей жидкости пропорционален количеству пара, образующегося на поверхности нагрева, и имеет порядок Ф( +~) где д„- тепловой поток, расходуемый на процесс парообразовання за время жизни пузыря; ~ — коэффициент, учитывающий увлеченную в циркуляцию массу жидкости, При грибообразных пузырях ~ ж 10. ЛлЯ области, где йг/йв — сонями, можно записать (ЧШ.103) йв 1+~ гвп ж С~ —— рпг 1 — ~р где вп — скорость жидкости, подтекающей к стенке; р — объ паросодержание в пристенном двухфазном слое. Конвективный теплообмен в окрестности лобовой точки определяется по уравнению и С2 Вло~б Р в где Ми = дх1/ХЬТ; Ве = вп1/ип; Рг = ип/ап.

Характеристики

Список файлов книги