2.1.8 Теплоотдача при изменении агрегатного состояния

Определяющие размеры системы для процессов конденсации пара и кипения жидкостей различны. При конденсации пара определяющим будет линейный размер поверхности нагрева, измеряемый вдоль пути отекания конденсата (например, высота вертикальной поверхности Н или наружный диаметр горизонтальной трубки d_H).

При кипении таким размером становится либо критический радиус образующегося пузырька пара R_K, либо его диаметр d_o в момент отрыва от поверхности. При конденсации паров на поверхности нагрева обычно образуется сплошная пленка конденсата. Она стекает вниз в различных гидродинамических режимах. Поэтому интенсивность теплоотдачи зависит от толщины пленки конденсата и режима ее течения.

Для пленочной конденсации пара при ламинарном течении пленки

, (2.27)

где с = 0,943 - для вертикальных поверхностей (l=Н);

с = 0,728 - при конденсации на наружной поверхности горизонтальных труб (l = d_H);

– критерий фазового превращения Кутателадзе;

r_K - теплота конденсации, Дж/кг;

с_к -теплоемкость конденсата, Дж/кг·К;

∆t - разность между температурами пара и стенки, К;

- критерий Галилея.

2.1.9 Теплопередача через плоскую стенку

Рассмотрим процесс теплопередачи между теплоносителями, разделенными плоской стенкой (рисунок 2.3). Вначале определим количество тепла Q, передаваемое в единицу времени от горячего теплоносителя с температурой t₁ к холодному с температурой t₂ через разделяющую их стенку толщиной δ и коэффициентом теплопроводности λ. Температуры поверхностей стенки t_cm1 и t_cm2 соответственно. Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителя α₁, а холодного – α₂.

П римем, что процесс теплоотдачи установившийся. В этом случае одно и то же количество тепла за одинаковое время передается от горячего теплоносителя к стенке, через нее и от стенки к холодному теплоносителю. Тогда:

Рисунок 2.3 –Теплопередача через плоскую стенку

а) количество тепла, передаваемое через поверхность F от горячего теплоносителя к стенке, по закону Ньютона составит: ;

б) количество тепла, проходящего путем теплопроводности через стенку толщиной δ с поверхностью F, по закону Фурье будет равно: ;

в) количество тепла, передаваемое через поверхность F от стенки к холодному теплоносителю, по закону Ньютона составит:

.

Преобразуем эти уравнения следующим образом:

, , .

Сложив левые и правые части этих уравнений, получим:

или

. (2.28)

Из сопоставления уравнений (2.4) и (2.28) следует, что:

.

Величина, обратная К, называется общим термическим сопротивлением и обозначается R:

, (2.29)

где 1/α₁=r₁ – термическое сопротивление горячего теплоносителя;

1/α₂=r₂ - термическое сопротивление холодного теплоносителя;

δ / λ=r_cm – термическое сопротивление стенки.

В случае многослойной стенки в уравнение (2.29) вместо δ / λ подставляется сумма термических сопротивлений каждого слоя стенки. Тогда:

.

Анализ выражения (2.29) показывает, что для интенсификации процесса теплопередачи следует увеличивать меньший из коэффициентов теплоотдачи. Для этого, например, увеличивают скорость теплоносителя с меньшим коэффициентом теплоотдачи или турбулизируют поток другими способами.