Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

Так, если скорость циркуляции и содержание в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в верхней части трубы (рис. 22.3, а). При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С дальнейшим увеличением содержания пара и скорости волновое движение на границах раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает режим, сперва близкий к пробковому, а потом к кольцевому (рис. 22.3, б). При кольцевом режиме по всему периметру трубы устанавливается движение тонкого слоя жидкости, внутри трубы перемещается парожидкостная эмульсия. Однако и в этом случае полной осевой симметрии не наблюдается.

Контрольныевопросы

1.Дайте определение процесса кипения жидкости. Поясните термодинамические условия, при которых возможно кипение.

2.Дайте определение и поясните особенности пузырькового и пленочного режимов кипения жидкости.

3.Охарактеризуйте механизм пузырькового и пленочного режимов кипения жидкости, а также их влияние на процесс теплоотдачи.

4.Какая жидкость называется перегретой, какие процессы могут вызвать значительный перегрев жидкости?

5.Какие условия необходимы для кипения жидкости, кроме ее пере-

грева?

6.В каком случае и почему выше теплоотдача – при конвективном теплообмене или при пузырьковом кипении жидкости?

7.Почему при пленочном режиме кипения коэффициент теплоотдачи не зависит от температурного напора?

8.Чем опасен пленочный режим кипения жидкости?

9.Какие факторы влияют на структуру течения двухфазной среды в трубах и каналах?

11.Какие режимы течения наблюдаются при кипении жидкости в вертикальных и горизонтальных трубах?

12.Какие режимы течения реализуются в процессе перехода среды из жидкого состояния в парообразное в обогреваемых каналах? От каких факторов зависит порядок смены режимов течения?

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция23.

Определениекоэффициентовтеплоотдачи прикипенииоднокомпонентныхжидкостей

Механизм теплообмена и расчетные соотношения для теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкостей. Теплообмен при пленочном кипении жидкостей.

Механизмтеплообменаирасчетныесоотношения длятеплоотдачиприпузырьковомкипениижидкостей

Кипение – сложное явление, включающее в себя следующие параллельно протекающие процессы: передачу тепла от стенки к жидкости напрямую или при пленочном кипении через слой пара; образование и рост в перегретой жидкости паровых пузырьков; отделение от поверхности нагрева и всплытие пузырьков. Протекание перечисленных процессов определяется следующими факторами: теплопроводностью и вязкостью жидкости, динамическим напором потока пара, поверхностным натяжением, силой тяжести. В связи с этим коэффициент теплоотдачи при кипении должен определяться следующим набором теплофизических параметров: плотность жидкой и паровой фазы, удельная теплота парообразования, коэффициент теплопроводности жидкости (при пленочном кипении) и пара (при пленочном кипении), коэффициент вязкости жидкости, ускорение свободного падения. В результате анализа уравнений динамики двухфазной среды методами теории размерностей и обработки опытных данных Д. А. Лабунцовым было получено соотношение для определения коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении неподвижной жидкости в большом объеме [5]:

где , , – кинематический коэффициент вязкости, коэффициент теплопроводности, коэффициент поверхностного натяжения жидкости при температуре насыщения; и – плотности жидкости и пара при температуре насы-

щения; Tн – температура насыщения. Для функции b , на основании опытных данных выведено эмпирическое выражение

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 23. Определение коэффициентов теплоотдачи при кипении однокомпонентных жидкостей

Выражения (23.1, 23.2) проверены для многих жидкостей в широком диапазоне условий. В частном случае, для воды, из (23.1, 23.2) может быть получено следующее расчетное соотношение:

в котором давление выражено в барах, остальные величины – в единицах СИ. При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах в условиях, когда жидкость нагрета до температуры насыщения, коэффициент теплоот-

дачи может быть подсчитан по следующим формулам [18]:

где к – коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый по формулам (23.3) и (23.4); w – коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении однофазной жидкости в трубах.

Теплообменприпленочномкипениижидкостей

Пленочное кипение наблюдается при закалке металлов в жидкой среде, в ряде быстродействующих перегонных аппаратов, при кипении криогенных жидкостей. Пленочный режим кипения имеет место при охлаждении жидкостью ракетных двигателей на химическом топливе и атомных ракетных двигателей. При высоких давлениях абсолютная величина коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении становится значительной, поэтому пережога котельной трубы не происходит, хотя температурный напор между стенкой и жидкостью заметно повышается. Это делает допустимым использование процессов теплообмена с пленочным кипением также в некоторых парогенерирующих устройствах.

На теплоотдачу при пленочном кипении влияют давление, физические свойства жидкости, а также лучистый теплообмен между поверхностью теп-

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 23. Определение коэффициентов теплоотдачи при кипении однокомпонентных жидкостей

лообмена и жидкостью через паровую пленку. Обе формы переноса тепла – теплопроводностью и излучением – не являются независимыми друг от друга. Взаимное влияние обоих процессов проявляется в том, что пар, образующийся благодаря излучению, приводит к утолщению паровой пленки и соответствующему уменьшению интенсивности переноса тепла за счет теплопроводности.

При пленочном кипении насыщенной жидкости тепловой поток, отводимый от поверхности нагрева, расходуется не только на испарение слоев жидкости, расположенных на границе паровой пленки. Часть отводимого тепла идет также на перегрев пара в пленке, так как средняя температура пара внутри пленки всегда выше, чем температура насыщения.

Теплоотдача при ламинарном движении паровой пленки. Расчетные данные можно получить теоретическим путем. Используется модель, анало-

движущихся на границе с одинаковой скоростью. Решение имеет вид [5, 18]

где С = 0,677 для первого типа условий и С = 0,943 для второго.

Средний коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности горизонтального цилиндра выражается зависимостью [18]

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 23. Определение коэффициентов теплоотдачи при кипении однокомпонентных жидкостей

где С1 = 0,53 для первого типа условий и С1 = 0,72 для второго. Во всех формулах все параметры, кроме плотности относятся к пару.

Теплоотдача при турбулентном движении паровой пленки. При вертикальном расположении стенки более вероятным является турбулентный, а не ламинарный характер движения пленки. Для этого случая не существует пока строгой теории. В основу приближенных теорий положены модели, применяемые при исследовании теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости. Характер распределения скорости и температуры в пограничном слое при кипении является сходным с соответствующими профилями в пограничном слое при свободной конвекции однофазной жидкости. Поэтому теплоотдачу при пленочном кипении можно представить формой зависимости, которая применяется при конвекции однофазной жидкости [5, 18]:

Nuт С (Ra)1/3т .

Применительно к пленочному кипению подъемная сила g t , вхо-

дящая в критерий Релея, заменяется силой, определяющей движение пара в пленке, равной g ( п) ; постоянная С = 0,25. Физические свойства отно-

сятся к средней температуре паровой пленки. Область применимости:

Raт 2 107 .

Контрольныевопросы

1.Запишите критериальные уравнения для определения теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения неподвижной жидкости.

2.Поясните особенности определения теплоотдачи в случае вынужденного движения кипящей жидкости в трубах.

3.В каких случаях коэффициент теплоотдачи при пленочном режиме кипения жидкости является достаточным, чтобы отводить требуемое количество теплоты?

4.В каких областях техники используется пленочный режим кипения жидкости?

5.Как определяется коэффициент теплоотдачи при ламинарном движении паровой пленки вдоль вертикальной стенки и на горизонтальной трубе?

6.Как определяется коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении паровой пленки?