teplotekhnika (852911), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Лабунцевым в основу обобщениямногочисленного опытного материала по кипению различных жидкостей, и была получена следующая формула:Ми = СКе"Рг;(/3.(10.46)Физические параметры, входящие в числа подобия, определяютсяпри температуре насыщения. Значения постоянных в (10.46): приКе < 0,01 - С= 0,0625; п = 0,5; при Ке 2 0,01 - С= 0,125; п = 0,65.К недостаткам приведенной зависимости относится необходимостьиметь данные о теплофизических свойствах жидкости и пара при рабочем давлении, которые неизвестны для многих веществ.
В связи с этимна практике широко используют зависимости, основанные на минимальном числе данных по теплофизическим параметрам. Так, по многочисленным исследованиям коэффициента теплоотдачи ок при пузырьковом кипении жидкости установлена зависимостьа = от* = с2м12.(10.47)Постоянные СІ и С2 зависят от рода кипящей жидкости и от давления, при котором протекает процесс.Для воды в диапазоне давлений 0,1-4,0 МПа в области интенсивногокипения (10.47) имеет следующие вид:223а = 4,44°~7р0›'5 = 106А12'33р05.(10.48)Отметим, что приведенные данные и формулы для подсчета коэффициентов теплоотдачи относятся к случаю, когда подогрев жидкости происходит снизу.
Если поверхность нагрева обращена вниз, то отделениепузырьков пара от поверхности резко ухудшается и коэффициент теплоотдачи ов уменьшается.10.8. Теплоотдача при кипении жидкости внутри трубПри кипении движущейся жидкости внутри труб образование паровойфазы происходит на твердой поверхности теплообмена (поверхностноекипение) и внутри самого объема насыщенной жидкости (объемное кипение)При кипении движущейся жидкости в трубе возникающий пар движется вместе с жидкостью, образуя парожидкостную смесь с непрерывно возрастающим паросодержанием. Интенсивность теплообмена прикипении в трубах зависит не только от поверхностной плотности теплового потока, физических свойств жидкости и давления, но и от гидродинамической структуры потока. Структура двухфазного потока в вертикальных и горизонтальных трубах различна.В вертикальных трубах при движении потока снизу вверх различаюттри зоны (рис.
10.17). Зона І - зона подогрева поступающей жидкости(экономайзерный участок) вследствие конвекции до температуры насыщения (рис. 10.17, а).Зона ІІ - зона кипения (испарительный участок). В этой зоне происходит как поверхностное, так и объемное кипение жидкости. В нижнейчасти зоны происходит поверхностное кипение І, которое в дальнейшема2т,3° °иШч О,'Ґ0000ОІІо0000 0оооо00ЦІУ-ц1”о00 °09(г)Пп000МонщП00обо-'*щоооО3О°°О°°0°°00°° аоРис. 10.17. Движение пароводяной смеси при кипении жидкости в трубах:а - ВЄрТИКаЛЬНЬІХ; б -- ГОРИЗОНТШІЬНЬІХ224переходит в объемное, где наблюдаются эмульсионный 2, пробковый 3 истержневой 4 режимы течения.
В эмульсионном режиме мелкие пузырьки пара равномерно распределены по сечению потока. С увеличениемпаросодержания мелкие пузырьки сливаются, образуя пузырьки-пробки, которые соизмеримы по размеру с диаметром трубы. В пробковомрежиме крупные пузыри пара разделены прослойками парожидкостнойэмульсии.
В дальнейшем крупные пузыри пара сливаются, образуястержневую структуру потока. В стержневом режиме по центру трубыдвижется пар, а на ее стенке расположен тонкий кольцевой слой жидкости. По мере испарения жидкости толщина кольцевого слоя у стенкиуменьшается.Зона ІІІ - зона подсушки пара. Она начинается после полного испарения жидкости на поверхности трубы и наблюдается только в длинныхтрубах.С увеличением скорости циркуляции происходят увеличение длинытак называемого экономайзерного участка (т.е.
участка, где отсутствуеткипение жидкости) и уменьшение зоны развитого кипения. С увеличением поверхностной плотности теплового потока, наоборот, уменьшается экономайзерный участок и увеличивается зона развитого кипения.При естественной циркуляции в вертикальных трубах опытами установлено, что зона подогрева отсутствует. Условия теплообмена здесьаналогичны условиям кипения жидкости в пространстве большого объема.В горизонтальных трубах и трубах с небольшим наклоном в зависимости от паросодержания в потоке его структура может быть (рис. 10,17, б):расслоенной І, волнообразной 2 и эмульсионной 3.
Расслоенную структуру имеет поток при небольшом паросодержании. В этом случае в нижнейчасти трубы движется жидкая фаза, а в верхней - паровая фаза. При увеличении паросодержания потока граница раздела фаз приобретает волновой характер, и жидкость периодически достигает верхней части трубы. В дальнейшем по мере увеличения паросодержания потока и его скорости на поверхности трубы образуется движушаяся жидкая пленка, авнутри трубы - перемешаюшаяся парожидкостная эмульсия. Приэмульсионной структуре полной осевой симметрии в потоке нет.
Прирасслоенной структуре потока интенсивность теплообмена в верхней части трубы, где находится паровая фаза, невелика. Наиболее благоприятныеусловия теплообмена создаются при эмульсионной структуре потока.В связи со сложностью процесса теплообмена при кипении жидкостив трубах имеюшиеся опытные данные еше недостаточны и не могут бытьобобшены. Коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости в вертикальных и горизонтальных трубах следует рассчитывать по формулам,полученным на основании опытных данных для конкретных жидкостейи соответствующих условий.225При вынужденном движении кипящей воды в трубах коэффициенттеплоотдачи может быть подсчитан по следующим формулам:при окк/оєш < 0,5ок = опт;(10.49)при окк/оии, > 2,0ок = огш;(10.50)при 0,5 < окК/осш < 2,0ок/оъш = (4огш + аК)/(5аш - ак),(10.51)где ок - коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении кипяЩей воды в трубах; о:ш - коэффициент теплоотдачи при турбулентномрежиме движения воды в трубах; ак - коэффициент теплоотдачи приразвитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый по(10.47).10.9.
Теплоотдача при конденсации параРазличают два вида конденсации пара: капельную, когда конденсат осаждается на охлаждающей поверхности в виде капелек, и пленочную - в виде сплошной пленки. Капельная конденсация происходит в том случае,когда охлаждаюшая поверхность не смачивается жидкостью, например,когда на охлаждающей поверхности имеется тонкий слой масла (или любая жидкость с малым поверхностным натяжением).При капельной конденсации коэффициент теплоотдачи в 15-20 разбольше, чем при пленочной. По опытным данным коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации колеблется в пределах 60150 кВт/(м2-К). Столь большое значение коэффициента теплоотдачиобъясняется тем, что в промежутках между каплями конденсата поверхность охлаждения находится почти в непосредственном соприкосновении с конденсирующимся паром.
При пленочной конденсации междуповерхностью охлаждения и паром имеется пленка конденсата, создаюЩая ощутимое термическое сопротивление.Опытным путем установлено, что в теплообменных аппаратах, работающих на водяном паре, преобладает пленочная конденсация.Рассмотрим случай пленочной конденсации пара на вертикальнойстенке или трубе.
Конденсат, образовавшийся при конденсации пара,образует пленку, стекаюшую вниз по вертикальной стенке. Толщинапленки по мере накопления конденсата постепенно увеличивается. Там,где толщина пленки сравнительно мала, т.е. когда масса образовавшегося конденсата невелика, движение пленки ламинарное. При увеличениимассы конденсата движение пленки переходит в турбулентное. Опытом226установлено, что при конденсациичистого пара температура на граниЦе фаз равна температуре насыщения 15, а в слое конденсата, прилега-ющем к стенке, - температуре Ісг.Задачу о теплоотдаче при конденсации пара рассмотрим толькоАнй ,а/,/`дЛя случая ламинарного теченияпленки.
Составим систему уравнений, описывающих теплообменё/иВй*о/ўуў1,7”бхк дэ:'3*_ ' ё,Ё2"тКеРмИЁЁЁатурКсёъёаёиЬпри конденсации пара в случае ламинарного движения пленки кон- Рис. 10.18. Пленочная конденсаЦия на вертикальной стенкеденсата. Понятно, что при ламинарном движении передача теплоты через пленку может осуществляться только теплопроводностью.Расчетная схема дана на рис. 10.18. Ось х направлена вертикальновниз, а ось у - перпендикулярно стенке. Линия аЬ - граница раздела фаз.Переменную толщину пленки конденсата обозначим б. Применим к стационарному течению пленки уравнение Навье-Стокса (9.18). В данном==случаешу ш: О.
Кроме того, поскольку рассматривается плоский ла-минарный поток, о2шх/ сіх2 = сі2и›х /сіг2= 0 (скорость их изменяется толь-ко в направлении оси у, при у = 0, т.е. у стенки, их = О; при у = б скоростьих достигает максимума).Проекция на ось х объемной силы тяжести р'д, где р' - плотностьжидкой фазы. Градиент давления в неподвижном паре по направлениюоси х Ѕгасі р = сір/ох = р”3, где р”- плотность пара. Таким образом, уравнение движения (9.18) примет вид:ддт/ддт, = р'з - р”з + Шут/Эй).(10.52)Если пренебречь объемной силой инерции р(ди›Х/дх)шх, что возможнопри ламинарном движении, и принять р' >> р", получимдык/ду2 = -р'Ѕ/ц = -дм(10.53)Применив (9.6) к пленке конденсата, получима(д2!/ду2) = шх(дІ/дх).(10.54)К уравнениям (10.53) и (10.54) для полного описания рассматриваемого явления надо добавить уравнение теплоотдачи на границе конденсат - стенка и уравнение теплового баланса, учитывающее переход вещества из паровой фазы в жидкую.
Уравнение теплоотдачи для данногослучая-мді/ду)у=0 = от5 - жет).(10.55)227Температурный градиент сІІ/сіу (аналогично плоской стенке) при линейном распределении температур постоянен и равен (Іст - 18)/8. Следовательно,а, = х/ах.(10.56)Чтобы составить уравнение теплового баланса, рассмотрим сечениепленки, расположенное на расстоянии х = Их от начала вертикальнойстенки. Ширина стенки г. Массовый расход конденсата, протекающегочерез сечение бхг, ттх = рЁхг-иїх.Тепловой поток, который необходимо отвести от пара, чтобы получить указанный расход конденсата, Ф = грЁхгЙх. Этот тепловой потокдолжен равняться Ф= ЕИХЦІЅ- іст). Следовательно, уравнение теплового баланса можно записать (после сокращения на 2) в следующем виде:,рбхйх = стихи, - гст) = Мхиз - хедбх,(10.57)где г - удельная теплота парообразования; их - усреднсїіная по координате у скорость движения конденсата в сечении х; а и б - усредненныепо координате х, т.е.
по высоте стенки, соответственно коэффициент теплоотдачи и толщина пленки.Четыре уравнения (ІО.53)-(ІО.55) и (10.57) описывают теплообменпри конденсации пара на вертикальной стенке (при оговоренных вышеупрощениях задачи). Обычным образом найдем из этих уравнений числа подобия. Из уравнения движения находим число,ЗР/(т) = 313у/(у2ш1) = Оа/Ке,где Са = 313/у3 - число Галилея (Са = РгКе2).(10.58)Из (10.54) находим уже известное число Пекле:Ре = шІ/а = Рг Ке.(10.59)Из (10.55) находим число Нуссельта: Ми = аІ/Ж.Наконец, из (10.57) теплового баланса находимЩ:і1_г_=РеК=Ргке/<,ЖА!а срАІ(10.60)где К- новое число, предложенное С.С. Кутателадзе, характеризующее= ,_особенности теплообмена при фазовых превращениях; К с А; .рЧисло фазового превращения является мерой отношения удельнойтеплоты г, идущей на изменение агрегатного состояния вещества, кудельной теплоте перегрева или переохлаждения данной фазы относительно температуры насыщения (срАі).228В условие однозначности скорость их движения пленки конденсатане входит, поэтому числа Ке и Ре не являются определяющими.Умножая число Спа/Ке на последнее из полученных чисел, получимновое число:КеРгОа/Ке = ОаРгК = Ко.(10.61)ЧИСЛО Ко ЯВЛЯЄТСЯ ЄДИНСТВСННЫМ ОПрСДЄЛЯЮЩИМ КРИТЄРИСМ, ТаК КакСОСТЗВЛЄНО ТОЛЬКО ИЗ ВСЛИЧИН, ВХОДЯЩИХ В УСЛОВИЯ ОДНОЗНЗЧНОСТИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
