Содержание дисциплины (программа)
И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ
ВТОРОГО СЕМЕСТРА
Теплообмен при изменении агрегатного
состояния
Теплообмен при кипении жидкости. Механизм кипения жидкости: перегрев жидкости и наличие центров парообразования как условия возникновения паровой фазы; влияние смачивания стенки жидкостью, краевой угол; пузырьковый и пленочный режимы кипения. Первый и второй кризисы кипения. Минимальный радиус центра парообразования. Влияние частоты отрыва пузырей и числа действующих центров парообразования на теплообмен при кипении. Теплообмен при пузырьковом кипении: между стенкой и жидкостью, между жидкостью и паром. Факторы, определяющие интенсивность теплообмена при кипении в большом объеме.
Зависимость коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока от температурного напора при кипении в большом объеме. Различные режимы в области кипения. Методы обобщения опытных данных и размерные формулы для коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме (для воды и холодильных агентов). Метод расчета теплоотдачи в области неразвитого кипения. Особенности теплообмена при кипении жидкости в трубах. Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости и плотности теплового потока. Факторы, влияющие на теплообмен при кипении в трубах. Методика расчета коэффициента теплоотдачи.
Теплообмен при конденсации пара. Пленочная и капельная конденсация. Аналитическое решение задачи о пленочной конденсации неподвижного сухого насыщенного пара на чистой поверхности при ламинарном течении пленки (теория Нуссельта). Различные режимы течения пленки и характер изменения коэффициента теплоотдачи по высоте вертикальной стенки. Поправка к теории Нуссельта на волновое движение пленки. Применение теории подобия к исследованию теплоотдачи при конденсации. Теплоотдача на пучке горизонтальных труб.
Литература:
[1], гл. 12, 13 (стр. 226–281);
[3], гл. 7, 8 (стр. 137–148);
[4], гл. 4 (стр. 102–148);
[8], разд. 4 (стр. 86–97);
[9], гл. 3 (стр. 52–61).
Методические указания. Прежде всего, уясните особенности протекания кипения и конденсации в различных условиях. Конденсация может быть в объеме и на поверхности, пленочной и капельной, при неподвижном и движущемся паре, при паре насыщенном, влажном или перегретом. Вспомните из курса термодинамики как упомянутые состояния отражаются в диаграммах состояния T-S, P-V, P-T.
При пленочной конденсации различают режимы стекания пленки ламинарный и смешанный, т.е. ламинарный, существующий наряду с турбулентным.
При капельной конденсации различают режимы с малым и большим температурными напорами.
Обратите внимание на особенности интерпретации числа Re для пленки конденсата [1], на различие в определяющих размерах числа Рейнольдса для пленки и для пара, на то существенное обстоятельство, что число Рейнольдса пленки становится зависимым от коэффициента теплоотдачи, а также на использование в качестве независимых переменных ряда новых чисел подобия: Z, Ga, Ar.
Кипение
может быть на поверхности и в объеме
жидкости, пузырьковое и пленочное, в
перегретой и недогретой жидкости, в
неограниченном объеме и внутри труб,
при регулируемой заданной плотности
теплового потока
и при регулируемой заданной температуре
стенки
,
при свободной и при вынужденной конвекции.
При кипении потока жидкости в вертикальной трубе различают несколько режимов: режим подогрева, поверхностного кипения, эмульсионного, пробкового, стержневого кипения и режим подсыхания.
Для каждого из этих процессов и режимов кипения необходимо изучить методику определения коэффициентов теплоотдачи, плотности теплового потока или температуры стенки, иногда температуры жидкости. Усвоить понятие о критическом радиусе парового пузырька, который используется в качестве линейного размера в критериях подобия.
Рассмотрите приведенную скорость парообразования и скорость циркуляции, объясните как они используются в критериях подобия. Особое внимание обратите на кризисы кипения, условия их возникновения, опасность пленочного режима кипения в промышленных аппаратах.
Необходимо разобраться в расчетных зависимостях для коэффициентов теплоотдачи в двух областях пузырькового кипения.
Следует представлять себе, что для зоны развитого пузырькового кипения коэффициенты теплоотдачи подчиняются зависимости
или
.
На
основании экспериментов с различными
жидкостями установлено, что
.
Величина А зависит от температуры (или
давления) насыщенного пара, физических
свойств жидкости, физических свойств
системы: жидкость – поверхность нагрева.
Надо понимать, что существующие
зависимости для
при кипении являются эмпирическими или
полуэмпирическими формулами. Существующие
методы обобщения не дают удовлетворительного
количественного результата для всех
жидкостей; так, например, фреоны дают
существенные отклонения в величинах
коэффициентов теплоотдачи в сравнении
с уравнением Г.Н. Кружилина. Поэтому для
расчетов теплоотдачи при кипении фреонов
мы пользуемся экспериментальными
данными.
Надо представлять себе пленочный режим кипения и механизм "кризиса" кипения – переход от пузырькового кипения к пленочному. При этом надо иметь в виду, что помимо первого кризиса кипения, о котором сказано выше, существует второй кризис, при котором происходит разрушение паровой пленки и восстановление пузырькового кипения. Величина теплового потока, соответствующего втором кризису, существенно меньше, чем при первом кризисе.
Надо хорошо разобраться в механизме теплообмена при пленочной конденсации пара, а также основных предпосылках, физических принципах и математических выкладках теории пленочной конденсации. Обратите внимание на теорию процесса конденсации, развитую Нуссельтом в начале ХХ века и сохранившей свое значение до наших дней.