
3. Теплоотдача при кипении жидкостей.
Встречается в выпарке, ректификации, холодильной технике и пр. Это наиболее сложный процесс, т.к. нет надежных теоретических обобщений.
При кипении нарушается пограничный слой – на неровностях поверхности образуются пузырьки.
Процесс зависит от:
А) способности жидкости смачивать поверхность;
Б) разности температур поверхности нагрева стенки и кипящей жидкости;
В) шероховатости и чистоты поверхности.
На смачиваемой поверхности жидкость подтекает под пузырьки и облегчает их отрыв от поверхности. При плохой смачиваемости отрывается только вершина пузырька, а у поверхности нагрева имеется паровая прослойка. При интенсивном кипении вся поверхность может покрываться пленкой – малые .
При
подъеме пузырьки увеличиваются в объеме
вследствие испарения жидкости внутрь
пузырьков. Основное количество тепла
воспринимается пузырьком не от поверхности
нагрева, а от жидкости. Жидкость немного
(на 0.3-0.4
)
перегрета по отношению к образующемуся
пару.
Теплоотдача – механизм переноса тепла:
от поверхности нагрева к жидкости;
от жидкости к пузырькам пара (теплота испаряется);
пузырьки – в паровую фазу.
Число центров парообразования и частота их отрыва зависит от разности температур, поверхности нагрева и кипящей жидкости
q – тепловой поток.
Имеется
максимум коэффициента теплоотдачи при
критической разности температур (
).
зависит от:
- природы кипения жидкости;
- температуры, давления;
- характера поверхности нагрева.
Для воды при p=1 атм =25 .
Для бензола 40
До с ростом увеличивается и тепловой поток q. Число центров парообразования растет. Благодаря росту, отрыву и всплыванию пузырьков жидкость перемешивается, и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Это пузырьковое или ядерное кипение.
После происходит слияние пузырьков пара, поверхность покрывается сплошной пленкой пара. Хотя она и нестабильна, коэффициент уменьшается. Это пленочное кипение. Число центров парообразования сильно возрастает.
При пузырьковом кипении, когда q<qкр (в большом объеме и в трубах):
Все
физико-химические константы – при
– поверхностное натяжение, н/м
T - К
=
,
b
=0.075[
]
Для кипящей воды
Где:
-
давление, атм;
– уд. Тепловой поток, Вт/м2.
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи
А) нагревание и охлаждение [ккал/м2 ч град]
Газов 1-50
Перегретых паров 20-100
Жидкостей 50-10 000
Б) кипение жидкостей (воды) 500-45 000
В) конденсация водяных паров:
-пленочная 4 000-15 000
-капельная 40 000-120 000
-конденсация органических паров 500- 2 000
Г) Свободное движение газы 3-9
Жидкости 250-900
Сложная теплоотдача.
Сложная теплоотдача – распределение тепла двумя или тремя из вышеперечисленных способов одновременно. Наиболее важный случай – конвекция и тепловое излучение.
x
,где
– коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием.
Тепловые
потери в закрытом помещении до
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Теплопередача – передача тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.
Основное уравнение теплопередачи в диф. форме:
.
В
интегр. виде
kF
– основное уравнение теплопередачи
Цель
– расчет аппарата[К]=[
]
К – показывает, какое количество тепла переходит от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени через единицу поверхности при разности температур=1 град.
Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей.
Плоская стенка
При установившемся процессе температуры (локальные) не изменяются.
– термическое
сопротивление зависит от вида теплоносителя
температуры, скорости потока, материала
стенки, т.е. от рода продукта коррозии
или осадка.
Термическое
сопротивление – сумма
=
термических
сопротивлений.
Это уравнение связывает тепловой поток с поверхностью теплопередачи и служит для расчета аппаратов.
А)
при передаче тепла через чистую
металлическую стенку
мало и
Б)
если
,
то
Пример:
Вывод: для интенсификации теплопередачи следует увеличивать наименьший из коэффициентов , например: увеличением скорости его движения или путем оребрения поверхности со стороны этого теплоносителя.
Теплопередача при переменных температурах теплоносителей
(Движущая сила тепловых процессов)
При постоянных – сравнительно редко (кипение-конденсация). Обычно – температуры изменяются вдоль поверхности теплопередающей стенки.
При
установившемся процессе
.
Теплопередача зависит от взаимного направления движения теплоносителей, при непрерывных процессах:
А) прямоток
Б) противоток
В) перекрестный ток
Г) смешанный ток
Движущая сила (разность температур) зависит от направления движения теплоносителей. Поэтому в инженерных расчетах пользуются средней движущей силой.
РаРасход
теплоносителей
.
Допустим, что:
- теплоемкости не зависят от температуры и равны ;
-
– постоянно вдоль поверхности теплообмена.
Уравнение теплового баланса для элемента поверхности :
Для
удобства вводим
– водяной эквивалент
;
Численное
значение
определяет количество воды, которое по
своей тепловой емкости равно количеству
тепла, необходимого для нагревания
данного теплоносителя на 1
при
заданном расходе
.
Складываем
С другой стороны, основное уравнение теплопередачи:
Подставляем
Или
Чтобы
найти
записываем
уравнение теплового баланса для всей
поверхности теплообмена.
Подставляем:
Отсюда:
Сравнивая
с
Зависимость при прямотоке – логарифмическая.
Если арифметическая – среднеарифметическая разность температур.
Это уравнение справедливо и для противотока в виде:
При
,
можно вычислять
как среднеарифметическую:
При перекрестном и смешанном токе разность температур выше, чем при прямотоке, но ниже, чем при противотоке.
Замечания при выводе величины :
Пользовались режимом идеального вытеснения, не учитывали влияние перемешивания на среднюю движущую силу;
считалось, что
не изменяются вдоль поверхности теплообмена. В противном случае используется град. интегрирование;
считалось, что процесс – установившийся, на самом деле в ходе эксплуатации аппараты меняются.
Выбор взаимного направления движения теплоносителей
Важен для экономичного проведения теплопередачи.
А) при противотоке обеспечивается более глубокий теплообмен;
Б) при противотоке движущая сила изменяется менее резко;
В)
при
,
холодный теплоноситель нагревается в
случае противотока до более высокой
температуры, вследствие чего сокращается
расход холодного теплоносителя, что
выгодно;
Г)
при
,
расходы одинаковы, но при противотоке
выше средняя разность температур –
больше скорость теплообмена, меньше
требуемая F.
Если происходит изменение агрегатного состояния, то направление движения безразлично.
Если один из теплоносителей имеет высокую температуру, предпочти-телен прямоток (технологические соображения).
А) не перегревается высушиваемый материал;
Б) не перегреваются стенки барабана.
Определение температуры стенок.
В ряде случаев есть необходимость определять температуру стенок. Ее находят методом последующих приближений.
Задаются произвольно этой температурой и находят (
);
Определяют
Проверяют значение до сходимости с принятой величиной следующим образом:
приравнивая и сокращая на
:
В непрерывно действующих аппаратах нестационарные режимы возникают обычно в периоды пуска, остановки, изменения режима работы. Расчет – для стационарного теплообмена.
В ряде случаев – нестационарный теплообмен (регенерат.м-ки, нагреват. печи, период. ап-ра )
Все нестационарные тепловые процессы обусловлены изменением энтальпии тела до момента выравнивания температуры с температурой окружающей среды, т.е. до теплового равновесия. При расчете определяют время нагрева до температуры (или температуру нагрева за определенное время).
Теплопроводность при нестационарном режиме.
Аналитическое решение
– уравнение Фурье
Дифференциальное уравнение теплопроводности. Аналитическое решение сложно и громоздко даже при различных допущениях.
Графоаналитический расчет
Строят графики
– количество тепла, которое надо
затратить, чтобы разогреть тело от
начальной температуры до заданной
.
- количество тепла, которое надо затратить,
чтобы разогреть тело от начальной
температуры до температуры окружающей
среды (до наступления теплового
равновесия, достигаемого теоретически
при
).
Сл-но
Критерий
Био:
– совпадает с
.
Характеризует подобие процессов нестационарной теплопроводности (соотношение термического сопротивления теплопроводности к термическому сопротивлению при теплопередаче).
Отличие: 1) – заданная величина;
– твердого материала;
- характерный геометрический размер.
Критерий Фурье -
пример:
провести термообработку шара в печи
при 1200
=800
;
=20.
=
(проверка методом послед.-прибл.)
по графику -
вычисляем
, одновременно определяется температура поверхности в центре шара.
Теплопередача при нестационарном движении.
Периодическое нагревание или охлаждение жидкости через стенку. Температура изменяется во времени. Определяют продолжительность нагревания или охлаждения .