Файл: 478.pdf

где B0b – коэффициент, отражающий физические свойства воды; φ – относительный коэффициент теплоотдачи. Здесь и далее подстрочный индекс «b» относится к воде.

При кипении воды в трубах теплообменных аппаратов для расчёта

B0b используется формула:

где P – давление, бар.

При кипении воды в большом объёме формула для расчёта B0b имеет

вид:

Для расчёта относительного коэффициента теплоотдачи φ исполь-

зуются формулы:

для индивидуальных веществ:

для водных растворов неорганических веществ:

где M – молярная масса, ρ – плотность жидкости, μ и ν – её динамическая и кинематическая вязкости, P – рабочее давление, PS – давление паров воды при температуре кипения раствора.

В формулах для расчёта φ физические свойства воды и кипящих жидкостей берутся при их температуре кипения при атмосферном давлении.

Задачи для самостоятельной работы.

Задача 3.1-1. Определить средний коэффициент теплоотдачи α при пузырьковом кипении воды в большом объёме, если давление воды в системе

равно P = 5 × 105 Па, а плотность теплового потока на греющей поверхности q = 105 Вт/м2.

Задача 3.1-2. Определить максимальную плотность теплового потока при условии задачи 3.1-1, при которой сохраняется режим пузырькового кипения.

Задача 3.1-3. Как выгоднее расположить (вертикально или горизонтально) трубку с наружным диаметром dН = 20 мм с температурой поверхности θ = 550 °C, чтобы она лучше охлаждалась, если она охлаждается водой, кипящей в большом объёме под давлением P = 4,76 × 105 Па в плёночном режиме.

Задача 3.1-4. Сравнить коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объёме воды и ацетона (в пузырьковом режиме), если тепловая нагрузка поверхности равна 2,32 × 105 Вт/м2, а давление жидкости в обоих случаях P = = 1 МПа.

Задача 3.1-5. Определить коэффициент теплоотдачи при кипении бензола при давлении P = 1,8 ата в вертикальном теплообменнике, диаметр трубок которого 25/21 за счёт конденсации водяного пара давлением PП = 2 ата.

Задача 3.1-6. Определить коэффициент теплоотдачи при кипении 10ти- процентного водного раствора хлорида кальция при давлении P = 1,2 бар в трубках выпарного аппарата диаметром 25/21 за счёт конденсации водяного пара давлением PП = 3 ата.

- 23 -

www.mitht.ru/e-library

ных горизонтально в шахматном или коридорном порядке интенсивность теплообмена по глубине пучка падает, что необходимо учитывать:

где εn – коэффициент рядности (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1.

Зависимости коэффициента рядности от числа рядов.

Задачи для самостоятельной работы.

Задача 3.2-1. На горизонтальной трубе диаметром d = 20 мм и длиной 1 м происходит плёночная конденсация насыщенного водяного пара при давлении PS = 1,9 МПа, температура поверхности трубы t0 = 190 °C. Как изменится отводимый тепловой поток, если трубу расположить вертикально, а все остальные условия оставить без изменений?

Задача 3.2-2. Определить критическую высоту трубы hКР при которой будет происходить переход ламинарного течения плёнки конденсата в турбулентное, если труба расположена вертикально, наружная поверхность её имеет температуру tθ = 170 °C, конденсируется сухой насыщенный пар при давлении P = 1 МПа.

Задача 3.2-3. Определить, до какого значения температурного напора в условиях задачи 3.2-2 ламинарное течение плёнки конденсата сохранится на длине 2 м?

Задача 3.2-4. Сухой насыщенный водяной пар при температуре 100 °C конденсируется на вертикальной трубе H = 1 м, dН = 20 мм, температура наружной поверхности трубы tС = 95 °C. Построить график зависимости местного коэффициента теплоотдачи от толщины плёнки конденсата, пользуясь формулой (3.7). Для расчёта взять точки x = 1 м; 0,8 м; 0,6 м; 0,4 м; 0,2 м.

Задача 3.2-5. Построить график зависимости местного коэффициента теплоотдачи от температурного напора при конденсации сухого насыщенного пара на поверхности вертикальной трубы высотой H = 1 м, если давление пара P = 2 × 105 Па, а температура наружной поверхности трубы принимает значения 119 °C, 115 °C, 110 °C, 105 °C и 106 °C. Расчёт произвести для середины трубы. Определить также средний коэффициент теплоотдачи.

Задача 3.2-6. В конденсатор, выполненный в виде горизонтального 10ти-рядного коридорного пучка труб с диаметром d = 20 мм и θ = 95 °C, поступает сухой насыщенный водяной пар при давлении P = 1,01 × 106 Па. Определить средний коэффициент теплоотдачи, считая первым верхний ряд труб и сравнить его со средним коэффициентом теплоотдачи 10ти-рядного

- 25 -

www.mitht.ru/e-library

шахматного пучка. Поправочный коэффициент εn найти по графику (см. рис. 3.1).

Задача 3.2-7. В горизонтальном конденсаторе с трубками диаметром равным d = 25/21 на их наружной поверхности конденсируется пар бензина при P = 1,8 бар. Температура поверхности трубок θ = 70 °C, их расположение коридорное, n = 5 рядов. Определить средний коэффициент теплоотдачи.

Пример 3.2-1. Определить коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара атмосферного давления (P = 1 бар) на поверхности горизонтальной трубы d = 16 мм, если температура её поверхности θ = 80 °C.

Решение.

Запишем справочные данные: при P = 1 бар: ρ = 958,4 кг/м3, t = 100 °C, λ = 0,684 Вт/(м×К), μ = 2,825 × 10–4 Па×с, r = 2256,8 кДж/кг.

Рассчитаем величину AS:

Глава 4. Лучистый теплообмен.

В то время как теплопроводность и конвективный теплообмен могут осуществляться лишь в материальной среде, перенос тепла излучением может происходить даже в абсолютном вакууме. При лучистом теплообмене энергия переносится в виде электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания (фотоны, являющиеся электромагнитными волнами и проявляющие корпускулярно-волновой дуализм). Ярким примером лучистого теплообмена является передача Солнцем энергии Земле.

При нагревании чёрного тела до температуры T поверхностью тела испускаются фотоны (электромагнитное излучение). Фотоны имеют определённое распределение энергии, зависящее от температуры поверхности T. Изменение монохроматической плотности потока излучения чёрного тела в зависимости от температуры и длины волны, выражается законом Планка:

где Eλ(T) – плотность потока монохроматического излучения чёрного тела при температуре T, С1 – первая постоянная излучения (3,7418 × 10–16 Вт×м2), C2 – вторая постоянная излучения (1,4388 × 10–2 м×К)

Длина волны, при которой плотность потока излучения чёрного тела достигает максимального значения для данной температуры, может быть определена из закона Планка посредством выполнения условия максимума. Ре-

зультат этой операции даёт закон смещения Вина:

λМАКСT = 2,898 × 10–3 м×К, (4.2)

где λМАКС – длина волны, при которой достигается масимум монохроматической плотности потока излучения чёрного тела с температурой T.

Максимальное значение плотности потока монохроматического излучения чёрного тела можно получить подстановкой формулы (4.2) в формулу

(4.1):

- 26 -

www.mitht.ru/e-library

Общее количество энергии излучения, покидающего поверхность с абсолютной температурой T, на единицу площади для всех длин волн называется плотностью потока интегрального излучения. Если поверхность – чёрное тело, плотность потока интегрального излучения описывается интегралом от распределения Планка по всем длинам волн. После такого интегрирования получаем выражение:

которое известно как закон Стефана-Больцмана. Символ σ – постоянная Сте- фана-Больцмана – величина, которая равна σ = 5,67 × 10–8 Вт/(м2×К4).

Количество энергии, переносимое от поверхности в виде теплового излучения, зависит от абсолютной температуры и свойств поверхности. Количество энергии, падающее на тело Q0, частично поглощается им QA, частично

Лучистый теплообмен описывается законами: Планка, СтефанаБольцмана, Вина, Кирхгофа и Ламберта, на основании которых устанав-

ливаются закономерности теплообмена между телами.

Лучистый теплообмен между телами, расположенными парал-

лельно друг другу, рассчитывается по формуле:

где εПР – приведённая степень черноты, C0 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела (C0 = 5,67 Вт/(м2×К4)), T1 и T2 – температуры тел, К.

Приведённая степень черноты рассчитывается по формуле:

Лучистый теплообмен между телами, когда одно тело (обязательно должно быть выпуклым) расположено внутри другого рассчитывается по формуле (4.9), но:

где F1 – площадь меньшего тела.

Для снижения интенсивности лучистого теплопереноса между телами используются экраны, располагаемые между ними. Эффективность зависит как от количества экранов, так и от их степени черноты. При одинако-

- 27 -

www.mitht.ru/e-library