4.8. Теплоотдача при кипении жидкости.

Механизм парообразования и интенсивность теплообмена зависят от разности температур стенки и жидкости (рис. 4.7)

Рис. 4.7. Зависимость плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи α от перегрева стенки ( в логарифмических координатах).

При Δt<5⁰C – конвективный теплообмен. При увеличении Δt возникают пузырьки и идет пузырьковое кипение, при котором коэффициент теплоотдачи и тепловая нагрузка возрастают.

При дальнейшем увеличении Δt пузырьки пара соединяются и образуют паровую пленку, что соответствует Δt_кр. Пленка периодически отрывается от стенки, но образуется на её месте новая пленка. Такое кипение называется пленочным.

Т.к. теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, то коэффициент теплоотдачи резко уменьшается. Величина Δt_кр, q_кр, α_кр, соответствующие переходу пузырькового режима кипения в пленочное называются критическими. Для воды Δt_кр=25⁰С, α_кр =46500 Вт/(м²·К); q_кр =1,16·10⁶ Вт/м².

В технике работают в режиме естественной конвекции и пузырькового кипения, стараясь не приближаться к критической тепловой нагрузке.

4.9. Теплоотдача при конденсации.

Переход из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. На практике часто встречается конденсация на поверхности твердого тела – поверхностная конденсация. Конденсат выпадает на поверхности в виде капель или сплошной пленки. Освобождающаяся при конденсации теплота передается холодной поверхности.

При капельной конденсации есть контакт пара со стенкой, теплообмен протекает интенсивно. При пленочной конденсации пар отделен от стенки пленкой со значительным термическим сопротивлением, теплообмен протекает в 5-10 раз слабее чем при капельной конденсации (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Течение конденсата по вертикальной поверхности (а), изменение коэффициента теплоотдачи по высоте стенки (б), изменение температуры по толщине пленки δ (в).

На коэффициент теплоотдачи оказывает влияние направление движения пара. Наибольшее значение α имеет при ромбическом расположении труб под углом 60⁰.

4.10. Теплообмен излучением.

Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, называется потоком излучения Q; количество энергии, излучаемое телом в единицу времени с единицы площади, называется плотностью потока излучения q:

; (4.28)

Различают собственный поток излучения Q_соб тела, падающий на тело поток излучения Q_пад, отраженный телом поток излучения Q_отр, поглощенный телом поток излучения Q_погл, результирующий поток излучения Q_рез, как разница поглощенного и собственного потоков, эффективный поток излучения Q_эф – общий поток излучения тела, Q_пр – поток излучения, прошедший сквозь тело.

Взаимодействие излучений и тел характеризуется коэффициентами поглощения А, отражения R, пропускания D:

; ; (4.29)

При А=1, R=0, D=0 имеем абсолютно черное тело (АЧТ), то есть тело которое поглощает все падающее на него излучение.

Закон теплового излучения Планка устанавливает распределение интенсивности излучения тела по длинам волн в зависимости от температуры:

, (4.30)

где с₁, с₂ – постоянные излучения; λ – длина волны излучения; Т – температура тела.

Из закона излучения Планка следует, что чем выше температура тела, тем больше смещение максимума излучения в сторону коротких волн (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Зависимость плотности потока излучения АЧТ от длины волны.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока излучения АЧТ от температуры:

(4.31)

где с₀=5,67 Вт/(м²·К) – излучательная способность АЧТ; Т₀ – температура АЧТ.

Излучательная способность реальных тел меньше чем у АЧТ и характеризуется коэффициентом теплового излучения ε:

(4.32)

где q_соб – плотность потока излучения тела.

Из (4.32) и (4.31) имеем:

(4.33)

Закон Кирхгофа устанавливает взаимосвязь между коэффициентами излучения и поглощения тел:

(4.34)

Коэффициент излучения тела равен его коэффициенту поглощения при той же температуре ε=А.

Закон Ламберта устанавливает зависимость плотности потока излучения тела от направления излучения:

(4.35)

Рис. 4.10. Излучение тела в направлении нормали N и под углом φ (а) и изменение плотности излучения тела в зависимости от угла φ.

Рассмотрим теплообмен излучением между двумя телами в замкнутом пространстве (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Теплообмен между двумя телами.

Тело 1 с температурой Т₁ излучает на тело 2 с температурой Т₂. Результирующий тепловой поток с тела 1 на тело 2 определяется по выражению:

, (4.36)

где φ₁₂ – средний угловой коэффициент излучения тела 1 на тело 2; ε_пр12 – приведенный коэффициент излучения тела 1 на тело 2; F₁ – площадь поверхности тела 1.

Приведенный коэффициент излучения определяется по выражению:

(4.37)

Угловые коэффициенты излучения одного тела на другое определяют по таблицам или аналитически по расчетным формулам.

Плотность результирующего потока излучения газа в печах и топках на поверхность нагрева определяется по выражению:

(4.38)

Приведенный коэффициент излучения определяется по следующему выражению:

(4.39)

где - коэффициенты излучения, соответственно, газа и поверхности.

Глава пятая.

ТОПЛИВО И ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ.