Контрольные вопросы

1. До какого числа Рейнольдса поток жидкости не может переходить из ламинарного в турбулентный режим?

2. Объясните понятие «участок тепловой стабилизации».

3. Эпюра распределения скоростей по сечению потока при ламинарном и турбулентном течении.

4. Структура формирования пограничного слоя при движении потока по трубам.

5. Как влияет толщина пограничного слоя на величину коэффициента теплоотдачи α?

6. Какие уравнения подобия рекомендуются при ламинарном движении жидкости в трубе?

7. Какие уравнения подобия рекомендуются при турбулентном движении жидкости в трубе?

8. Понятие о гидродинамическом и тепловом пограничных слоях и их влияние на теплоотдачу.

9. Какие уравнения подобия рекомендуются при ламинарном и турбулентном движении жидкости вдоль пластины?

10. Чем отличается процесс теплоотдачи для одиночной трубы при поперечном движении жидкости?

11. Какие уравнения подобия рекомендуются для одиночной трубы при поперечном движении жидкости?

12. Какие пучки труб применяют в технике?

13. Опишите подробно характер обтекания пучков труб при поперечном движении жидкости?

14. Какие уравнения подобия рекомендуются для пучков труб при поперечном движении жидкости?

15. Как определяется средний коэффициент теплоотдачи для пучка труб?

16. Опишите механизм возникновения свободного потока жидкости.

17. Опишите характерную картину свободного движения жидкости у вертикальной стенки.

18. Каким уравнением подобия определяется теплоотдача при свободном движении жидкости?

6. Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества

Агрегатное состояние жидкости, омывающей поверхность твердого тела, изменяется в тех случаях, когда температура поверхности тела становится выше или ниже температуры фазового превращения жид­кости при данном давлении. В первом случае теплоотдача сопровождается кипением жидкости, а во втором - конденсацией ее пара. Оба эти явления усложняют изучение теплоотдачи по сравнению с изуче­нием теплоотдачи твердого тела с однофазной средой.

Рассмотрим раздельно теплоотдачу при конденсации пара и кипении жидкости, соприкасающейся с поверхностью твердого тела.

6.1. Теплоотдача при кипении жидкости.

Из термодинамики известно, что температура насыщения t_н пара, образующегося из кипящей жидкости, определяется давлением, под которым находится эта жидкость. Опыт показывает, что температура кипящей жидкости всегда несколько выше t_н, например при атмосферном давлении температура кипящей воды составляет t_н + (0,4 — 0,8 ^ОС). Она остается почти неизменной в направлении от свободного уровня к нагреваемой поверхности стенки сосуда (рис. 14.9, а) и лишь в слое толщиной 2— 5 мм у самой стенки резко возрастает. Температура частиц жидкости, соприкасающихся непосредственно с поверхностью нагрева, равна температуре стенки t_ст, т.е. в прилегающем к стенке слое жидкость перегрета относительно температуры насыщения на величину . Чем выше будет поверхностная плотность теплового потока q, называемая тепловой нагрузкой поверхности, тем больше температурный напор .

Изучение процесса кипения жидкости показывает, что пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности стенки вокруг так называемых центров парообразования, которыми служат различ­ные неровности поверхности, а также пузырьки газов, адсорбированных ею. С течением времени пузырьки растут и, достигнув отрывного диаметра, определяемого в основном взаимодействием сил тяжести и по­верхностного натяжения, отделяются от поверхности нагрева.

Образование и отрыв пузырьков пара от поверхности стенки в зна­чительной степени зависят от того, смачивает кипящая жидкость по­верхность стенки или не смачивает. В первом случае пузырьки пара имеют тонкую ножку и легко отрываются от поверхности; в несмачиваемой жидкости пар скапливается в пузырьки с широкой ножкой, трудно отрывающиеся от стенки.

Рис. 6.1. Характер изменения теплофизических характеристик процесса кипения воды:

характеристика изменения температуры кипящей воды при (q=22450 Вт/м²; t_ст = 109,1^ОС) при подогреве её снизу (а) и зависимость плотности теплового потока и коэффициента теплопередачи при кипении воды (p = 0,1 МПа) от температурного напора (б)

Поскольку температура кипящей жидкости выше t_н, между пузырьком пара и жидкостью происходит интенсивный теплообмен, который приводит к росту пузырька пара после его отрыва от поверхности. При этом в зависимости от степени перегрева жидкости и продолжительности подъема пузырька объем его увеличивается в десятки раз.

В процессе движения пузырьков пара жидкость сильно перемеши­вается и усиливается интенсивность теплообмена. Частота отрыва пузырьков и число действующих центров парообразования растут с увеличением температуры нагреваемой стенки, так как на процесс парообразования начинают влиять более мелкие неровности поверх­ности, что повышает теплоотдачу от нагреваемой стенки к жидкости.

Однако увеличение не всегда сопровождается повышением ин­тенсивности теплообмена. Действительно, рост действующих центров парообразования приводит к тому, что расположенные рядом пузырь­ки пара сливаются в одну общую пленку, отделяющую жидкость от поверхности нагрева. Вследствие сравнительно малой теплопроводности пара интенсивность теплоотдачи при этом резко падает.

На рис. 6.1, б показана установленная опытом зависимость q и от температурного напора для случая кипения воды в большом объеме при атмосферном давлении. В области между точками А и В, соот­ветствующей 5 °С и q = 5600 Вт/м², значение коэффициента теплоотдачи невелико и определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости. При дальнейшем повышении плотность теп­лового потока быстро возрастает и при _крит = 25 °С доходит до свое­го критического значения q _крит = 1,45 • 10⁶ Вт/м² (точка D). В этой области (между точками В и С) вследствие роста и движения пузырьков пара коэффициент теплоотдачи также резко увеличивается и дохо­дит до своего максимального значения 5,85 • 10⁴ Вт/ (м² • К) у точки С, в которой при дальнейшем повышении происходит изменение режима кипения. Пузырьковая форма парообразования (называемая также ядерной или ячейковой) переходит в пленочную, значение резко падает, поскольку образовавшаяся пленка пара отделяет жид­кость от нагретой стенки.

Эта пленка имеет неустойчивый характер. Она непрерывно разрывается на части и удаляется в виде больших пузырей, а на ее месте возникает новая.

Знание критических значений q_кр и _кр имеет большое практическое значение, ибо при выборе оптимального режима работы теплообменных аппаратов всегда нужно ориентироваться на пузырьковый режим кипения.

В противном случае будут уменьшаться производи­тельность и экономичность теплообменника, а также перегреваться его металлические стенки, что может привести к выходу аппарата из строя.

Исследования влияния давления на значение q_кр показали, что для многих жидкостей с увеличением давления q_кр сначала резко возрастает, достигает некоторого максимума, затем падает и при критичес­ком давлении становится равным нулю. В частности, для воды будет равно 4,65 • 10⁶ Вт/м² при давлении p 8 МПа.

В результате обобщения большого числа опытных данных при кипении различных жидкостей в условиях естественной конвекции (вклю­чая жидкие металлы) Д. А. Лабунцовым в критериальной форме была получена зависимость

(6.1)

. (6.1)

Значения с и n при кипении жидкостей составляют:

при Re 0,01, С = 0,0625, n = 0,5;

при Re > 0,01, С = 0,125, n = 0,65.

Д

(6.2)

ля практических расчетов удобно применять эмпирические размерные зависимости. Например, для воды в диапазоне давлений от 0,1 до 5 МПа эти зависимости имеют вид:

(6.3)

(6.2)

(6.3)

где q, Вт/м², р, МПа • 10^-1; , Вт/(м² • К).