Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция24. Кризисыкипения

Кризис пузырькового кипения жидкостей в свободном объеме. Температура предельного перегрева жидкости, минимальная плотность теплового потока при пленочном кипении. Особенности теплообмена при кипении в трубах. Переходное кипение.

Кризиспузырьковогокипенияжидкостейвсвободномобъеме. Температурапредельногоперегреважидкости, минимальнаяплотностьтепловогопотока

припленочномкипении

Во многих теплообменных устройствах современной энергетики и ракетной техники поток тепла, который должен отводиться от поверхности нагрева, является фиксированным и часто практически не зависит от температурного режима теплоотдающей поверхности.

Теплоотвод к внешней поверхности экранных труб, расположенных в топке котельного агрегата, определяется в основном за счет излучения из топочного пространства, падающий лучистый поток

Рис. 24.1 практически не зависит от температуры поверхности труб, пока она существенно ниже температуры раскаленных продуктов сгорания в топке.

Аналогичное положение имеет место в каналах ракетных двигателей. Внутри ТВЭЛов активной зоны атомного реактора происходит непрерывное выделение тепла ядерной реакции. Такое же положение имеет место в случае выделения тепла внутри металлических стержней или иных поверхностей при протекании электрического тока [5].

Если отвод тепла от поверхности нагрева осуществляется в процессе кипения охлаждающей жидкости, то следует считать, что тепловая нагрузка на поверхности кипения является заданной и не зависит от режима кипения.

В этой ситуации наблюдается картина перехода между режимами кипения, отличная от наблюдаемой при изменении заданного температурного напора. При увеличении теплового потока температура будет непрерывно увеличиваться, пока поток не достигнет величины qкр 1 (рис. 24.1). При превышении потоком величины qкр 1 стационарное кипение становится невоз-

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 24. Кризисы кипения

можным, так как кривая зависимости стационарного потока тепла от температуры идет вниз. Поскольку поток тепла задан и не может снизиться, температура поверхности начинает повышаться, что снова приводит к снижению потока теплоотдачи.

Температура поверхности продолжает расти до тех пор, пока на ней не установится стационарный тепловой поток. Это произойдет уже на участке кривой кипения, соответствующем пленочному режиму, при температурном напоре t t '1. Итак, при незначительном превышении тепловым потоком

величины qкр 1 произойдет резкий рост температурного напора от t tкр1

до t t '1, сопровождаемый переходом от пузырькового режима кипения

к пленочному. Это явление называется первым кризисом кипения. Подчеркнем, что переход от пузырькового режима к пленочному при фиксированном тепловом потоке является нестационарным процессом, сопровождаемым появлением и ростом сухих пятен на поверхности кипения. Промежуточные состояния не могут наблюдаться в стационарном режиме.

При снижении теплового потока будет наблюдаться иная картина. Пленочный режим кипения будет наблюдаться до тех пор, пока зависимость теплового потока от температурного напора не достигнет минимума (точка

t tкр2 , q qкр2 на рис. 24.1). При дальнейшем снижении теплового по-

тока произойдет второй кризис кипения, наблюдаемый как скачкообразное снижение температурного напора. Во многом второй кризис развивается как процесс, обратный первому: он начинается с появления участков смачивания поверхности жидкостью, в результате чего возрастает коэффициент теплоотдачи, температура поверхности снижается и т. д. вплоть до достижения точки

t t '2 .

Как можно видеть, при изменении заданного теплового потока в положительную и отрицательную сторону температурный напор изменяется по разным законам. Это явление называется тепловым гистерезисом. В диапазо-

не потоков тепла qкр2 q qкр1 прямая q const пересекает кривую кипе-

ния трижды – в области пузырькового, переходного и пленочного кипения. Значение температурного напора, соответствующее переходному режиму, не реализуется при заданном тепловом потоке, так как является неустойчивым: при случайном повышении температуры теплоотдача ухудшится и температура продолжит расти, и наоборот. Поэтому при заданном потоке тепла

qкр2 q qкр1 температурный напор может принимать одно из двух значе-

ний, соответствующих пузырьковому или пленочному режиму кипения, в зависимости от того, каким образом достигнуто текущее состояние: путем повышения теплового потока от низких значений, соответствующих конвективной теплоотдаче или слабому кипению, или путем снижения теплового потока от высоких значений, соответствующих пленочному кипению.

Знание величин критической нагрузки чрезвычайно важно для правильного проектирования современных форсированных теплообменных устройств и безаварийной эксплуатации их. Величины критических тепловых

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 24. Кризисы кипения

потоков определяют опытным путем. Опыты показывают, что для условий кипения насыщенной жидкости в большом объеме значения критических нагрузок зависят от рода кипящей жидкости, давления, состояния поверхности и условий ее смачивания, наличия в жидкости примесей и поверхностноактивных добавок. Определенное влияние оказывает также действие силы тяжести. Температурный напор в момент достижения критической тепловой нагрузки называют критическим температурным напором tкр1 tc. кр tн. Ко-

эффициент теплоотдачи в момент начала кризиса кипения

кр1 qкр1 / tкр1 .

Критическая тепловая нагрузка при кипении жидкости в большом объеме может быть подсчитана по формуле Кутателадзе [5]:

qкр1 0,14 r " 4 g( ' "),

где r – теплота парообразования; остальные обозначения, как в формулах

(24.1) и (24.2).

Характерные значения критической плотности теплового потока и температурного напора для воды и некоторых криогенных жидкостей при атмосферном давлении приведены в табл. 24.1.

Таблица 24.1

Величина qкр 2 при кипении насыщенной жидкости в большом объеме существенно меньше, чем qкр 1. Опыты показывают, что вторые критические нагрузки зависят от рода жидкости, размеров теплоотдающей поверхности, давления, силы тяжести, шероховатости поверхности и ряда иных факторов, при этом второй критический температурный напор связан с температурой предельного перегрева жидкости соотношением

tкр 2 0,9 tп.п ts .

Температура предельного перегрева жидкости может быть приближенно определена из следующего соотношения:

Tп.п /Tкр 0,905 0,095 Ts /Tкр 8 ,

где Tкр – критическая температура для данного вещества.

Для воды при атмосферном давлении qкр 2 на поверхности горизонтальных труб и цилиндров составляет 2 5 104 Вт/м2. В зависимости от диаметра

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 24. Кризисы кипения

Особенноститеплообменаприкипениивтрубах Переходноекипение

При кипении насыщенной жидкости в большом объеме на поверхности горизонтальных труб в условиях электрообогрева существует такая (средняя по поверхности нагрева) тепловая нагрузка, при которой могут устойчиво сосуществовать пленочный режим кипения на одной части поверхности и пузырьковый на другой ее части [18]. Эта тепловая нагрузка называется равновесной. Если после установления равновесной нагрузки несколько увеличить поток тепла, то граница раздела режимов кипения начнет перемещаться в область пузырькового режима и через некоторое врем на всей поверхности установится пленочный режим. Если уменьшить нагрузку, то наоборот. Равновесная тепловая нагрузка qравн 0,2 qкр1, при этом qкр2 qравн qкр1. Знание

равновесных потоков тепла представляет интерес для анализа устойчивости режимов кипения.

Контрольныевопросы

1.Какие явления называют первым и вторым кризисами кипения?

2.Что называют первой и второй критической плотностью теплового

потока?

3.Запишите критериальное уравнение и поясните особенности вычисления первой критической тепловой нагрузки.

4.Приведите характерные значения первой критической тепловой нагрузки и температурных напоров.

5.Как соотносятся между собой для одного и того же вещества первая

ивторая критические тепловые нагрузки?

6.В чем состоит явление теплового гистерезиса при кипении?

7.Приведите характерные значения второй критической тепловой нагрузки и температурных напоров.

8.Что называют равновесной тепловой нагрузкой? Какова ее величина? В каком случае реализуется данный режим кипения жидкости?

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция25. Основныеположения теплообменаизлучением

Описание процесса лучистого теплообмена. Виды лучистых потоков. Спектральная плотность потока излучения. Интегральная плотность потока излучения. Собственное, отраженное, поглощенное, пропущенное, эффективное, результирующее излучение. Понятие абсолютно черного тела. Излучательные характеристики абсолютно черного тела.

Описаниепроцессалучистоготеплообмена

Процессы лучистого теплообмена получили широкое распространение в различных областях техники, в частности в теплотехнике, ядерной энергетике, ракетной технике, металлургии, сушильной технике, химической технологии, светотехнике и др [8, 19, 21].

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Электромагнитными волнами называют электромагнитные возмущения, исходящие от излучающего тела и распространяющиеся в вакууме со скоростью света, равной 3 · 108 м/с. При поглощении электромагнитных волн какимилибо другими телами они вновь превращаются в тепловую энергию. Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. При этом колебания ионов соответствуют излучению низкой частоты; излучение, обусловленное движением электронов может, иметь высокую частоту, если они входят в состав атомов и молекул и удерживаются около положения своего равновесия значительными силами.

В металлах многие электроны являются свободными. Поэтому здесь нельзя говорить о колебаниях около центров равновесия. Электроны движутся и при этом испытывают нерегулярное торможение. Вследствие этого излучение металлов приобретает характер импульсов и имеет волны различной частоты и том числе волны низкой частоты. Помимо волновых свойств, излучение обладает также и корпускулярными свойствами, которые состоят в том, что лучистая энергия испускается и поглощается материальными телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями – квантами света или

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лекция 25. Основные положения теплообмена излучением

фотонами. Испускаемый фотон – частица материи, обладающая энергией, количеством движения и электромагнитной массой. Поэтому тепловое излучение можно рассматривать как фотонный газ. Прохождение фотонов через вещество есть процесс поглощения и последующего испускания энергии фотонов атомами и молекулами этого вещества.

Таким образом, излучение имеет двойственный характер, поскольку оно обладает свойствами непрерывного поля электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными для фотонов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульс сосредоточиваются в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства – в волнах. Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волн (табл. 25.1).

Тепловому излучению соответствуют частоты примерно от 3 · 103 до 3 · 105 ГГц или длины волн от 0,8 мкм до 0,8 мм. Для данного диапазона характерно проявление как квантовых, так и волновых свойств, которые проявляются по-разному в зависимости от длины волн. Квантовые (корпускулярные) свойства проявляются наиболее существенно в коротковолновом излучении. Наоборот, характерные волновые свойства наиболее отчетливо наблюдаются у радиоволн.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает энергию всех длин волн от нуля до бесконечности. К числу твердых тел, имеющих сплошной спектр излучения, относятся диэлектрики, полупроводники и окислы металлов. Некоторые тела излучают энергию только в определенных интервалах длин волн, т.е. испускают энергию прерывистым спектром. К ним относятся чистые металлы и газы, которые характеризуются селективным или выборочным излучением. Излучение различных тел различно. Оно зависит от природы тела, его температуры, состояния поверхности, а для газов – еще и от толщины слоя и давления. Большинство встречающихся в природе и технике тел имеют значительную поглощательную и излучательную способность, поэтому в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Для проводников тепла толщина этих слоев имеет порядок 1 мкм, а для непроводников тепла – 1 мм. Поэтому применительно к твердым телам, а также к жидкостям тепловое излучение в ряде случаев приближенно можно рассматривать как поверхностное явление. Газообразные тела имеют значительно меньшее излучение, чем