27. Теплоотдача при вынужденном движение теплоносителя в трубах и каналах.

Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной Re При движении жидкости в трубах развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях Re>10⁴; Re=2×10³¸1×10⁴ со­ответствует переходному режиму. При ламинарном движении происходит значительное изменение температуры по сечению трубы и соответственно изменение плотности текущей жидкости. Вследствие этого на вынужденное движение теплоносителя накладывается свободное движение. Интенсивность свободного движения характеризуется числом Грасгофа. Средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи при вынужденном ламинарном движении жидкости в трубе, учитывающий влияние свободной конвекции, представляется в виде:

. (1)

Здесь определяющий геометрический размер — диаметр трубы d или эквивалентный диаметр канала любой формы; определяющая температура — средняя температура потока. Коэффициент e_l, зависит от отношения l/d, где l — длина трубы. При l/d>50 el=1. При l/d=1 e_l=1,9.

При турбулентном режиме жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция практически не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Для определения среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении (Re>10⁴) рекомендуется следующее уравнение подобия:

. (2)

Для потока в пределах Re=2×10³¸1×10⁴ лежит область переходного режима. Теплоотдача при этом режиме зависит от очень многих факторов, которые трудно учесть одним уравнением подобия. Приближенно коэффициент теплоотдачи в этой области можно оценить следующим образом. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи определится по формуле (2), а наименьшее с помощью уравнения

. (3)

Соответствующие значения числа Ко в зависимости от числа Re приведены ниже:

Re ×103 2,1 2,3 2,5 3 5 10

Ko 1,9 3,3 4,4 7 15,5 33,3

30. Теплоотдача при кипении и конденсации.

Теплоотдача при кипении

Процесс кипения, когда давление насыщенного пара над кипящей жидкостью равно внешнему давлению, а парообразование интенсивно происходит по всему объему кипящей жидкости, широко используется в энергетике, в химической и других отраслях промышленности.

Необходимым условием передачи теплоты от твердой поверхности к кипящей жидкости является перегрев поверхности Тw относительно температуры кипения жидкости Тs = Ткип.

Кипение сопровождается непрерывным образованием большого количества паровых пузырей, их ростом, отрывом от греющей поверхности и последующим всплытием через слой кипящей жидкости. Все эти процессы интенсифицируют отвод теплоты от греющих поверхностей к объему кипящей жидкости, что в свою очередь приводит к увеличению скорости парообразования. При этом существенно, что зарождение паровых пузырьков на микроскопических впадинах греющей поверхности, их последующий отрыв и подвод на освобождающиеся места жидкой фазы — все это разрушает пристенный слой жидкости и интенсифицирует процесс теплоотдачи.

Значительная теплоемкость и теплопроводность жидкой фазы по сравнению с паровой обусловливает передачу теплоты от греющей поверхности к жидкой фазе при их непосредственном контакте в пристенном слое и последующую передачу теплоты от наружной границы всех пузырей внутрь их объемов с энтальпией образующейся паровой фазы.

При малых значениях разности температур DТ = Тw – Тs число паровых пузырьков на греющей поверхности малό, и они практически не влияют на интенсивность естественно-конвективной теплоотдачи. По мере увеличения DТ число паровых пузырей быстро увеличивается, и интенсивность теплоотдачи соответственно возрастает. Однако слишком большое количество пузырей, не успевающих отрываться от поверхности, одновременно блокирует часть греющей поверхности от тепловоспринимающей жидкости (пар обладает сравнительно малой теплопроводностью и теплоемкостью), и рост интенсивности теплоотдачи замедляется.При некотором критическом значении DТкр паровые пузырьки не успевают отрываться индивидуально и сливаются в сплошную паровую пленку, блокирующую теплоподводящую стенку от жидкости. Интенсивность теплоотвода резко (в 20–40 раз) уменьшается, что соответственно уменьшает не только количество передаваемой теплоты, но и может привести к нежелательному перегреву самой поверхности, если ее обогрев производится высокотемпературным теплоносителем (например, топочными газами). Переход кипения от пузырькового режима к пленочному называется кризисом кипения.

Пленочный режим кипения всегда нежелателен, и в промышленной практике стараются организовать процесс в области развитого пузырькового кипения (DТ < DТкр), но без опасности наступления кризиса кипения. Для кипящей при атмосферном давлении воды DТкр = 25 К. Обратный переход от пленочного режима кипения к пузырьковому по мере уменьшения DТ происходит при заметно меньшей, чем DТкр, разности температур стенки и жидкости.

Обычно при кипении жидкостей их температура во всем объеме равна температуре кипения. Однако в некоторых случаях основная масса жидкости может иметь температуру ниже Ткип. Если же температура Тw теплоподводящей поверхности по-прежнему больше Ткип, то имеет место пристенное кипение, при котором происходит конденсация пара из образовавшихся на стенке и оторвавшихся от нее паровых пузырей. Интенсивность теплоотдачи пристенного кипения близка к интенсивности обычного кипения догретой до Ткип жидкости, паропроизводительность незначительна, а жидкость быстро нагревается до Ткип.

Теплоотдача при конденсации. Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения (t_с<t_н). Различают капельную конденсацию, когда образовавшаяся жидкость (конденсат) не смачивает поверхность и скатывается в виде отдельных капель, например, ртуть на стальной стенке, и пленочную конденсацию, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную пленку. Пленочная конденсация встречается значительно чаще.

Аналитическое решение для расчета локального коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении пленки (Re=w/v<400) имеет вид

где r – теплота парообразования.

Из формулы видно, что интенсивность теплоотдачи убывает по мере стекания конденсата из-за возрастания толщины его пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой Н рассчитывается по формуле:

Re=0.95Z^0.78_t;

где

Теплофизические параметры конденсата в формулы следует подставлять при температуре насыщения t_н, а _с и _с при температуре стенки.