4.4.2 Особенности газового излучения

Излучение газов имеет значительные отличия от излучения твердых тел. К основным особенностям излучения газов следует отнести:

излучение газов является селективным (прерывистым);
поглощение лучистой энергии газами происходит в тех же диапазонах длин волн, в которых происходит излучение;
излучение газов является объемным, т.е. плотность лучистого потока зависит от объема тела и плотности газа;
основной вклад в излучение смеси газов вносят трех- и четырехатомные газы.

Величина плотности лучистого теплового потока, излучаемого газами, может быть определена по зависимости

q_л=_прс₀[( )⁴-( )⁴],

где Т_Г – температура газа, К;

Т_с – температура стенки, К.

_пр= - приведенная степень черноты,

_Г – степень черноты газа;

_с – степень черноты стенки.

5. Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества

5.1 Теплоотдача при кипении жидкости

В предыдущих разделах изучались процессы, в которых рабочее тело не меняло своего агрегатного состояния. В данном разделе будут рассмотрены процессы кипения и конденсации, которые сопровождаются изменением агрегатного состояния рабочего тела.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена и кипение в объеме жидкости.

Объемное кипение может происходить при перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Кроме того, его можно получить при резком снижении давления и при наличии в жидкости внутренних источников теплоты.

Наблюдение процесса кипения показывает, что на поверхности теплообмена (если ее температура выше температуры кипения или насыщения tн) возникают пузырьки пара. Зарождаются они только в отдельных местах обогреваемой поверхности, называемых центрами парообразования. Центрами образования пузырьков пара являются неровности самой стенки и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают наверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырька в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если кипящая жидкость не смачивает поверхности теплообмена, то пузырек пара имеет толстую ножку, при этом верхняя часть пузырька открывается, а ножка остается на поверхности.

Рост пузырьков до отрыва от обогреваемой поверхности и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пузырьковым кипением. При пузырьковом кипении вся теплота от поверхности нагрева передается пограничному слою жидкости, так как площадь соприкосновения ножек пузырьков пара поверхностью весьма незначительна.

С возрастанием температурного напора или с возрастанием плотности теплового потока число центров парообразования увеличивается. Их становится так много, что образующиеся пузырьки пара сливаются в один сплошной паровой слой, а кипение при таких условиях называется пленочным. Эта пленка в виду малой теплопроводности пара представляет большое термическое сопротивление. Теплоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает.

Коэффициент теплоотдачи в условиях свободного движения в большом объеме зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. На рисунке 5.1 показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и плотности теплового потока от ∆t . При малых температурных напорах – до , значение коэффициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении ∆t коэффициент теплоотдачи быстро возрастает и происходит интенсивное пузырьковое кипение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипение переходит в пленочное, и при дальнейшем повышении ∆t коэффициент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интенсивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и образуют сплошную паровую пленку, которая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное.

Рис. 5.1 Графики зависимостей qf1(∆t) и f2(∆t)

Величины ∆t,  и q, соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочный называют критическими. Установление существования ∆tкр имеет большое практическое значение для выбора оптимального режима работы кипятильных и выпарных аппаратов.

Для определения коэффициента теплоотдачи и критической величины теплового потока при пузырьковом кипении жидкости в условиях естественной конвекции и в большом объеме используются формулы, полученные профессором Г. Н. Крушилиным:

, (5.1)