Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

.

В очень редких случаях свободная и вынужденная конвекция могут проявляться одновременно, тогда

.

13.5. Основные случаи теплообмена
Рассмотрим процессы передачи тепловой энергии от поверхности твердого тела к жидкости или газу, наиболее распространенные на практике:

а). Теплоотдача от плоской пластины при обтекании ее теплоносителем.

При движении теплоносителя вдоль поверхности пластины появляется пограничный слой толщиной , в котором наблюдается ламинарный режим движения (рис. 13.4, 13.5).

Рис. 13.4. Теплоотдача от плоской пластины

Рис. 13.5. Эпюры полей скорости и температуры в потоке

Достигая какого–то значения координаты х происходит переход от ламинарного к турбулентному движению, при этом толщина характеризует слой взаимодействующего с поверхностью теплоносителя:

; .

Переход к турбулентному режиму течения жидкости в пограничном слое определяется по критическому значению числа Рейнольдса

.

Между распределением температур и скоростей, как при ламинарном, так и при турбулентном движении есть определенное, соответствие. Процесс теплообмена между поверхностью пластины и теплоносителем описывается законом Ньютона–Рихмана:

.

В представленной формуле все зависимости даны как среднеинтегральные величины

. .

.

Так как коэффициент теплоотдачи изменяется по площади или координате х, то принимают в расчетах его среднеинтегральное значение . Значение , соответствующее данному значению х, называется локальным (местным) коэффициентом теплоотдачи, который может существенно отличаться от средней величины.

Для всех случаев движения теплоносителя при обтекании пластины получены уравнения подобия вида

,

,

– применяемые для описания процессов вынужденной конвекции.

б). Теплоотдача при течении теплоносителя по трубам.

Определяющим условием процесса теплоотдачи при движении теплоносителя в трубах является гидродинамический режим. При вынужденном движении жидкости внутри трубы различают два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости. При скоростях потока, больших некоторого значения _кр, режим течения переходит в турбулентный (рис. 13.6). Для различных жидкостей и трубопроводов критическая скорость различна.

---

Режим течения жидкости определяется по величине числа Рейнольдса

.

Рис. 13.6. Распределение скоростей при ламинарном и турбулентном течении

жидкости
Различают средний и локальный коэффициент теплоотдачи (рис. 13.7), которые могут быть определены из уравнения Ньютона–Рихмана:

,

.

Рис. 13.7. Изменение локального и среднего коэффициента теплоотдачи

в зависимости от длины трубы
В обычных условиях температура поверхности меняется незначительно, а температура теплоносителя вычисляется

.

При незначительном изменении температуры t_ж,среднеарифметический температурный напор определяется по зависимости:

.

При значительном отклонении для вычисления среднелогарифмического температурного напора используют зависимость:

.

На рис. 13.8 представлено изменение температурного напора вдоль трубы при неизменной температуре её поверхности.

Рис. 13.8. Изменение температурного напора вдоль трубы при t_c=const
Среднее значение коэффициента теплоотдачи можно определить, найдя из соответствующего уравнения подобия величину числа Нуссельта

.

Например, для ламинарного режима :

,

для турбулентного режима :

.

в). Теплоотдача при свободной конвекции.

Процесс теплообмена при свободной конвекции теплоносителя имеет весьма широкое распространение как в технике, так и в природе. Большое значение для развития свободной конвекции играет протяженность поверхности нагрева и ее положение в пространстве (рис. 13.9 -13.11).

Рис. 13.9. Изменение температуры и скорости при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной стенки

Рис. 13.10. Изменение коэффициента теплоотдачи при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной стенки

Рис. 13.11. Характер свободного движения теплоносителя

около нагретых поверхностей
Различают свободную конвекцию в неограниченном и замкнутом пространстве.

Режим движения теплоносителя зависит от величины произведения Gr∙Pr. Получены уравнения подобия для тел разной формы и расположения в пространстве:

• 
  Для горизонтальных труб при :
  

.

• 
  Для вертикальных поверхностей (трубы, пластины) при (ламинарный режим):
  

.

• 
  Для вертикальных поверхностей при (турбулентный режим):
  

.

При движении в ограниченном пространстве конвекция приобретает сложный характер и зависит от геометрии объекта и его положения в пространстве.

---

г). Теплоотдача при поперечном обтекании труб.

Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании труб имеет ряд особенностей, которые объясняются гидродинамической картиной движения теплоносителя вблизи поверхности трубы (рис. 13.12).


а) б) в)
Рис. 13.12. Обтекание одиночного цилиндра:

а) безотрывное; б) отрыв ламинарного пограничного слоя;

в) отрыв турбулентного пограничного слоя.

Развитие пограничного слоя вдоль периметра трубы происходит при условиях переменной внешней скорости потока и переменного давления (рис. 13.13).

При ламинарном течении жидкости отрыв пограничного слоя происходит при  = 0. При турбулентном течении жидкости устойчивость пограничного слоя возрастает, и отрыв его происходит при > 120140^○. За зоной отрыва происходит перемешивание слоев теплоносителя в неупорядоченной форме. Процесс движения теплоносителя в значительной мере влияет на теплоотдачу (рис. 13.14).

Рис. 13.13. Распределение скоростей у поверхности цилиндра и образование возвратного течения		Рис. 13.14. Изменение относительного коэффициента теплоотдачи по окружности цилиндра

Максимальное значение коэффициента теплоотдачи _ наблюдается на лобовом участке трубы и снижается с ростом толщины пограничного слоя  до угла его отрыва.

Процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в поперечном потоке теплоносителя имеется не одна, а пучок труб. В этом случае вводятся поправки, учитывающие компоновку пучка и частоту расположения труб в пучке.
13.6. Теплообмен при кипении жидкости
Кипение – это процесс образования пара внутри объёма жидкости. Для появления этого процесса всегда необходим некоторый перегрев жидкости, то есть превышение температуры жидкости над температурой насыщения при заданном давлении

.

Обычно тепловая энергия, требуемая для поддержания кипения, подводится к жидкости через твердую поверхность, такой случай представляет наибольший интерес с практической точки зрения.

В случае свободного движения жидкости около поверхности нагрева происходит кипение в большом объёме. Процессом кипения можно управлять, регулируя температуру поверхности нагрева или плотность теплового потока на стенке (рис. 13.15).

---

а)

б)

Рис. 13.15. Кривые, характеризующие кипение в большом объеме:

а - задана температура стенки (t_s); б - задана плотность теплового потока (q_s)

Процесс кипения начинается, если перегрев превысит определенную величину (зависящую от чистоты жидкости, качества поверхности нагрева), перегрев жидкости происходит в зоне I. При на поверхности нагрева образуются паровые пузыри, которые растут и отрываются, появляется пузырьковый режим кипения (зона II), при этом тепловой поток  . В этой зоне коэффициент теплоотдачи  и количество передаваемого тепла растет.

В зоне III будет наблюдаться переходный режим кипения, при котором часть поверхности нагрева будет контактировать с паром. При этом коэффициент теплоотдачи  и тепловой поток будут уменьшаться  .

Дальнейшее повышение температуры степени приведет к образованию сплошной пленки пара на поверхности нагрева – в результате возникает пленочный режим кипения (зона IV).

При задании плотности теплового потока при определенных значениях этой величины возможны кризисы кипения жидкости:

• 
  при – резкое увеличение температуры поверхности нагрева за счет перехода с пузырькового на пленочный режим кипения;
  
• 
  при в случае уменьшения теплового потока – резкое снижение температуры поверхности нагрева за счет обратного перехода.
  

Вид процесса кипения зависит от физических свойств вещества и давления. Коэффициент теплоотдачи при кипении принято определять через температурный напор

.


13.7. Теплообмен при конденсации пара
В зависимости от условий окружающей среды процесс конденсации может происходить в объеме пара или на охлаждаемой поверхности, с которой соприкасается пар. Различают процессы конденсации неподвижного и движущегося пара, насыщенного, влажного и перегретого пара.

На поверхности, не смачиваемой образующимся конденсатом, жидкость охлаждается в виде отдельных капель – происходит капельная конденсация.

На смачиваемой поверхности конденсат образует сплошную пленку – происходит пленочная конденсация.

Режим движения пара и конденсатной пленки может быть ламинарным или турбулентным.

а). Пленочная конденсация

---

.

Пленочная конденсация (рис. 13.16) является наиболее распространенной на практике. В процессе пленочной конденсации вся теплота, выделяющаяся на внешней границе пленки, отводится к поверхности охлаждения. При ламинарном движении жидкостной пленки перенос теплоты через нее осуществляется только путем теплопроводности.

Если принять, что температура конденсата, соприкасающегося с паром, равна температуре насыщения , то плотность теплового потока можно описать уравнением:

,

где  – толщина пленки;

 – коэффициент теплопроводности конденсата;

– температура поверхности.

Рис. 13.16. Пленочная конденсация на вертикальной стенке
С другой стороны при конденсации справедлив закон Ньютона–Рихмана:

.

Сопоставив эти два выражения, получим следующую зависимость:

.

Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к измерению толщины пленки конденсата, которая может быть получена из анализа условий его течения. Движение пленки конденсата описывается дифференциальным уравнением вида

.

где – скорость стекания пленки.

Проинтегрировав это выражение можно получить уравнение:

.

Из граничных условий при , , , при :

, .

Подставив значение и ,в первоначальное уравнение для определения скорости стекания плёнки получим закон распределения скорости в слое конденсата:

.

Определим количество жидкости протекающей в единицу времени через сечение х:

,

тогда

.

Из этого следует, что толщина пленки возрастает с увеличением расхода конденсата по закону:

.

Величина может быть получена из уравнения теплового баланса для участка длиной х:

.

Подставляя в уравнение величину G_x и q_x из предыдущих уравнений, получим значение коэффициента теплоотдачи

.

На рис. 13.17 показаны характер изменения толщины пленки и коэффициента теплоотдачи при вертикальном расположении поверхности конденсации.

На протекание процесса конденсации оказывает влияние:

а) перегрев пара;

б) состояние поверхности;

в) содержание в паре недоконденсирующихся газов;

г) скорость и направление движения пара;

д) компоновка поверхности нагрева.

Рис. 13.17. Характер изменения толщины пленки (δ) и коэффициента

теплоотдачи (α) при вертикальном расположении поверхности конденсации
Капельная конденсация идет значительно более интенсивно, чем пленочная, так как несмачиваемость поверхности способствует стеканию конденсата и уменьшению термического сопротивления, связанного с образованием пленки.

---