Плотность теплового потока в этом случае определяется по формуле

М.Ф. Широкова, представляющей обобщенный закон Ньютона-Рихмана, Вт/м²:

(64)

При решении задачи теплообмена поверхности и разреженного газового потока следует учитывать изменение характера взаимодействия между моле-кулами. С повышением разреженности и температуры газа возрастает средняя длина свободного пробега молекул между соударениями, уменьша­ется коли-чество соударений. Дискретное строение газа приводит к скачку температуры и скорости в прилегающих к поверхности слоях. Вследствие этого на самой по-верхности наблюдается так называемое "скольжение" потока при "неполном" теплообмене.

Полнота теплообмена оценивается коэффициентом аккомодации , пред­ставляющим отношение действительного обмена энергией к максимально воз-можному обмену.

Аэродинамическая степень разрежения газа определяется значением кри­терия Кнудсена , где – средняя длина свободного пробега молекул; – характерный размер стенки.

Если то газ следует рассматривать как сплошную среду; если то как свободный молекулярный поток. Если то в зоне может быть режим течения со скольжением ( ) или переходный режим ( ).

В режиме течения со скольжением для расчета конвективного теплооб-мена используется зависимость вида:

(65)

где

коэффициент аккомодации;

критерий Нуссельта, вычисляемый по формуле (59).

При расчете конвективного теплообмена при течении жидкого металла в трубе можно использовать зависимость вида:

(66)

где критерий Пекле.

6. Конвективный теплообмен при кипении в условиях движения жидкости в трубе

При движении кипящей жидкости в трубе с некоторой начальной скоро­стью происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз, поэтому изменяется гидродинамическая структура потока как по длине, так и по поперечному сечению трубы. В вертикальной трубе при движении потока жидкости снизу вверх наблюдаются три основные области с различной структу­рой потока жидкости: область подогрева (экономайзерный участок) до сечения трубы, где t_c = t_s, область кипения, где t_c > t_s , и область подсыхания образующегося влажного пара.

С увеличением скорости циркуляции w при заданных значениях тепловой нагрузки q, длины трубы и температуры на входе уменьшается протяжен­ность области с развитым кипением, но увеличивается длина экономайзер­ного участ-ка. При возрастании q с той же скоростью движения жидкости длина участка кипения увеличивается, а экономайзерного уменьшается.

При движении двухфазного потока внутри горизонтальной или слабо на­клоненной трубы наблюдается изменение структуры потока не только по длине, но и по периметру трубы. При малой скорости движения возможно рас-слоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части тру-бы, и на паровую, располагающуюся в верхней части.

Таким образом, интенсивность переноса тепловой энергии от поверхнос-ти трубы к жидкости будет определяться процессом парообразования и гидро­механическими условиями движения двухфазного потока.

При малых значениях тепловой нагрузки q коэффициент теплообмена определяется гидродинамическими условиями движения и не зависит от тепло­вой нагрузки.

При значительных тепловых нагрузках q влиянием гидродинамических ус­ловий на теплообмен можно пренебречь и коэффициент теплообмена при кипении в трубе определить по расчетным формулам, полученным для пузырькового режима кипения жидкости в большом объеме.

При средних значениях тепловой нагрузки q конвективный теплообмен при кипении будет определяться физическими особенностями процесса ки­пе-ния и гидродинамическими факторами течения жидкости.

В связи с этим по результатам многочисленных исследований коэффици­ент конвективного теплообмена определяется зависимостью вида:

(67)

где – коэффициент теплообмена при кипении жидкости с учетом движения жидкости в трубах;

– коэффициент теплообмена при пузырьковом режиме кипения жидкости в большом объеме;

– коэффициент теплообмена при движении жидкости в трубе в однофаз-ном состоянии.

Условимся [3], что если

(68)

Расчет коэффициента теплообмена при развитом пузырьковом режиме ки­пения в большом объеме выполняется по формулам:

(69)

(70)

где критерий Нуссельта;

критерий Прандтля;

размер, соизмеримый с отрывным диаметром парового пузырька, м;

– коэффициент поверхностного натяжения, ;

T_s = t_s + 273 – температура фазового перехода, К;

соответственно плотность, массовая теплоемкость, , коэффициент кинематической вязкости, , коэффициент температуропроводности, , кипящей жидкости;

плотность сухого насыщенного пара, ;

r – удельная теплота фазового перехода, .

Теплофизические характеристики воды и водяного пара при соответст­вующих температуре и давлении выбираются из таблиц [6].

Коэффициент теплообмена в однофазном состоянии жидкости при ее ско­рости движения в области определяется по формуле:

, (71)

где критерий Нуссельта;

критерий Рейнольдса;

и – критерии Прандтля, принимаемые соответственно при темпе­ратуре жидкости t_ж и температуре стенки .

Температуру стенки можно определить по формуле:

. (72)

Формулы (69) и (70) справедливы в области значений:

для широкого диапазона давлений насыщения вплоть до околокритических значений. В случае кипения жидких металлов показатель степени критерия Прандтля принимается равным показателю степени числа Рей­нольдса.

Первая критическая плотность теплового потока при кипении в большом объеме (в условиях свободного отвода пара от поверхности нагрева) может быть определена по формуле:

. (73)

В случае кипения при движении жидкости в трубе на величину ока-зы­вает влияние ограниченность пространства и особенность теплообмена в движущихся пристенных слоях жидкости. С учетом этого обстоятельства в [1] рекомендуется расчет выполнять по формулам:

при

; (74)

при

, (75)

где – первая критическая плотность теплового потока при свободном от­во-де пара от поверхности нагрева, рассчитывается по формуле (73).

Все величины в формулах (73) – (75) принимаются при температуре фазового перехода t_s, или T_s, K.

Первая критическая тепловая нагрузка при кипении определяет мак-си­мальный перегрев жидкости в граничном слое у стенки и предельную темпе­ратуру стенки. Дальнейшее повышение температуры стенки приводит к сни­же-нию отвода теплоты от стенки за счет образования у стенки пара и резкого уве-личения термического сопротивления – пузырьковый режим кипения пе­рехо-дит в пленочный.

Предельная температура стенки определяется по уравнению, :

(76)

где коэффициент теплообмена, , определяется по формулам (69), (70) при q = q_кp;

q_кp1 – критическая тепловая нагрузка, , определяется по формулам (74) и (75) с учетом (73).