14.2.4. Примеры решения задач

Задача 1. Определить средний коэффициент теплоотдачи при плёночной конденсации водяного пара атмосферного давления на горизонтальной трубе диаметром d = 0,016 м, длиной 1 м, если температура стенки трубы t_с = 80° C. Вычислить массу конденсата, образующегося на этой трубе.

По формуле (4.4) определяем коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²·К).

Площадь теплообменной поверхности

F = dl = 3,14·0,016·1 = 0,05024 м².

Величина теплового потока

Q =  Ft = 11693·0,05024·20 = 11794 Вт.

Количество конденсата

 кг/с.

Задача 2. Определить средний коэффициент теплоотдачи и массу конденсата при плёночной конденсации водяного пара при давлении 1 МПа на 1 м² теплообменной поверхности, выполненной из вертикальных труб диаметром d = 0,016 м и длиной l = 1,4 м температура которых t_с = 150° C.

Коэффициент теплоотдачи определяем по формуле (4.3), физические параметры определяем при средней температуре плёнки

° C.

Здесь t_s = 180° C — температура насыщения при давлении 1 МПа.

Вт/(м²·К).

Тепловой поток

Q =  Ft = 5913·1·30 = 177390 Вт.

Количество конденсата в 1 секунду

 кг/с.

3. Контрольные вопросы

1. Что такое кипение? Какие условия надо создать для организации стационарного процесса кипения?

2. Что такое центры парообразования? Какую роль они играют?

3. На какой поверхности для кипения жидкости необходим меньший перегрев: а) на гладкой или шероховатой; б) на смачиваемой или не смачиваемой?

4. Какие режимы кипения бывают? Какой режим кипения представляет наибольший интерес для практики и почему?

5. В чем причины возникновения кризиса кипения?

6. Что такое кризис кипения первого рода и в чем его опасность?

7. Что такое кризис кипения второго рода?

8. Расскажите об особенностях, возникающих при кипении жидкости, движущейся внутри труб.

9. Запишите простую расчетную зависимость для коэффициента теплоотдачи при кипении  = f(q).

10. В чем суть процесса конденсации? Какие условия необходимо создать для организации стационарного процесса конденсации?

11. Какое количество тепла необходимо отвести при конденсации?

12. Какие виды конденсации бывают? Какой вид конденсации в основном встречается в теплообменных аппаратах?

13. В чем преимущество капельной конденсации, и какие условия необходимо создать для ее возникновения?

14. Какие упрощающие предпосылки были приняты Нуссельтом при теоретическом исследовании теплоотдачи при конденсации?

15. Запишите формулу описывающую теплоотдачу при конденсации на вертикальной (либо горизонтальной – по вашему выбору) трубе.

16. Как влияет на теплоотдачу при конденсации скорость движения пара?

17. Как влияют на теплоотдачу при конденсации шероховатость поверхности теплообмена и наличие примесей в паре?

15. Тепловое излучение (лучистый теплообмен)

5.1. Общие сведения

Природа всех видов излучений одинакова. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны, т.е. лучи — это электромагнитные колебания с различной длиной волны и частотой колебаний. Причем

· = C, (15.1)

где  — длина волны;

 — частота волны

C — скорость распространения колебаний (в вакууме C = 300000 км/с).

В зависимости от длины волны составлена примерная классификация излучений.

Длина волны	Вид излучения
0,05·10-6 мкм	космическое (реликтовое)
(0,5…1)·10-6 мкм	-излучение
1·10-6…20·10-3 мкм	рентгеновское
20·10-3…0,4 мкм	ультрафиолетовое
0,4…0,8 мкм	Световое (видимое)
0,8…800 мкм	тепловое
0,2мм…Х км	радиоволны

С квантовой точки зрения лучистый поток представляет собой поток фотонов. Наибольший интерес для практики представляет лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами тела. Это световые и инфракрасные лучи, природа которых и законы распространения одинаковы.

Тепловое излучение свойственно всем телам, поэтому каждое тело излучает энергию в пространство. Эта энергия, попадая на другие тела, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Та часть энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Каждое тело непрерывно излучает и одновременно поглощает лучистую энергию других тел. Но если температура тел участвующих в лучистом теплообмене одинакова, в системе возникает термодинамическое равновесие и для каждого тела приход энергии будет равен расходу.

Лучистый теплообмен представляет собой двойное превращение энергии: при излучении тепловая энергия превращается в лучистую, затем при поглощении лучистая превращается опять в тепловую.

Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, называется тепловым потоком излучения Q, Вт. Лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности в единицу времени, является плотностью теплового потока излучения q, Вт/м².

Рис. 15.1. Схема распределения падающей лучистой энергии

Если на тело падает лучистая энергия в количестве Q₀, то часть этой энергии Q_A поглощается телом, часть ее Q_R отражается, а часть Q_D проходит сквозь тело (рис. 5.1)

Q₀ = Q_A + Q_R + Q_D. (15.2)

Разделив все члены этого уравнения на Q₀, получим

(15.3)

Первый член уравнения A характеризует поглощательную способность тела, второй — R — характеризует отражательную способность, и D — характеризует пропускательную способность этого тела. Каждая из этих величин изменяется от 0 до 1.

Если вся падающая на тело энергия поглощается телом, то A = 1; R = D = 0. Такие тела называются абсолютно черными.

Если вся энергия отражается телом, R = 1; A = D = 0. Такие тела называются абсолютно белыми. Причем отражение может быть диффузным или оптически правильным (у зеркальных тел).

В случае, когда вся энергия проходит сквозь тело, D = 1; A = R = 0. Такие тела называются прозрачными.

Подавляющее большинство твердых тел и некоторые жидкости для тепловых лучей непрозрачны D = 0; A + R = 1.

Рис. 15.2. Виды теплового излучения

Из этого соотношение понятно, что если тело хорошо отражает лучистую энергию, то оно плохо ее поглощает, а если энергия хорошо поглощается телом, то его отражательная способность — низкая. Для поглощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Отражательная способность гладкой, полированной поверхности во много раз выше, чем шероховатой. Виды теплового излучения рассмотрены на рис. 15.2.

Предположим, что на тело попадает лучистый поток q₁, часть которого поглощается телом (A₁q₁), а остальная часть отражается телом — (1 – A₁)q₁. При этом само тело испускает собственный лучистый поток q₂. Сумма собственного лучистого потока и потока, отраженного телом называется эффективным излучением тела, являясь фактической величиной излучения тела

q_эфф = q₁(1 – A₁) + q₂. (15.4)

Кроме эффективного излучения интерес представляет баланс между собственным излучением тела q₂ и количеством лучистой энергии, которая поглощается телом A₁q₁. Разность между собственным излучением и поглощенным потоком внешней лучистой энергии называется результирующим излучением:

q_рез = q₂ – A₁ q₁. (15.5)

Величина q_рез определяет поток энергии, которую данное тело передает окружающим телам в процессе лучистого теплообмена.

Если температура тела ниже, чем температура других тел в системе, величина q_рез будет отрицательной, тело в итоге лучистого теплообмена будет получать энергию.

При q_рез > 0 тело будет отдавать энергию в систему.