2522

2.2.9. Теплоотдача при кипении жидкости

Кипением называется процесс образования пара внутри объѐма жидкости. Условия протекания этого процесса своеобразны и чрезвычайно сложны. Сложность процесса кипения обусловлена наличием и взаимодействием двух фаз - пара и жидкости, которые по своим физическим свойствам сильно отличаются друг от друга.

Температура пара, образующаяся при кипении, равна температуре насыщения Ts, определяемой давлением Ps, под которым находится жидкость. С повышением давления растет температура насыщения.

На рис.54 представлено изменение коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости (воды) в большом объѐме и при атмосферном давлении. Здесь можно выделить три характерных участка изменения коэффициента теплоотдачи. На участке АВ, характеризуемым малым температурным напором, наблюдается почти полное отсутствие образования паровоздушных пузырей и значения коэффициента теплоотдачи определяются естественной конвекцией.

Под температурным напором понимается разность темпера-

91

На участке ВК интенсивность теплоотдачи резко возрастает вследствие роста и движения паровых пузырей. Такой режим кипения называется пузырьковым. В точке К коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении температурного напора (участок КС) происходит изменение режима кипения. На участке кривой КС с ростом температурного напора число центров парообразования увеличивается и они, сливаясь, образуют паровоздушную плѐнку, отделяющую жидкость от нагреваемой стенки. Такой режим кипения жидкости называется плѐночным, а точка К характеризует кризис теплоотдачи при кипении. За счет низкой теплопроводности пара при плѐночном кипении коэффициент теплоотдачи с увеличением температурного напора резко падает.

В самом начале плѐночного режима кипения паровоздушная пленка неустойчива, но затем наступает стабилизация, когда коэффициент теплоотдачи остаѐтся почти постоянным. При этом тепловой поток на стенке растет, что может привести к перегоранию поверхности нагрева вследствие недостаточного отвода тепла со стороны жидкости.

Для пузырчатого режима кипения жидкости можно проводить расчет теплоотдачи по формуле

39 T 2.33 P0.5

(2.65)

Формула (2.65) справедлива для давлений пара Р = 0.2 ÷100

атм.

92

2.2.10. Теплоотдача при конденсации пара

При соприкосновении пара с поверхностью стенки, температура которой меньше температуры насыщения, пар начинает конденсироваться и образующаяся при этом жидкость под действием сил тяжести стекает по поверхности.

Различают капельную и плѐночную конденсацию. Капельная конденсация неустойчива и протекает на не смачиваемых поверхностях, В современных промышленных аппаратах в основном встречается плѐночная конденсация. На основании анализа условий течения плѐнки конденсата по поверхности, Нуссельтом предложены следующие формулы для коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации:

а) вертикальная стенка высотой Н

б) горизонтальный цилиндр диаметром d

А r 3

(2.69)

где r - теплота парообразования; ρ - плотность конденсата; λ - коэффициент теплопроводности конденсата; μ - вязкость конденсата.

На процесс теплоотдачи при конденсации пара оказывает влияние следующие факторы:

а) перегрев пара.

Для перегретого пара при конденсации теплоотдача выше, чем для насыщенного пара;

б) состояние поверхности.

Теплоотдача при конденсации пара зависит от состояния поверхности. Если поверхность шероховата или покрыта слоем окиси, то за счет дополнительного сопротивления течению толщина пленки возрастает, а коэффициент теплоотдачи при этом снижается;

93

в) содержание в паре неконденсирующихся газов.

При наличии в паре воздуха или других неконденсирующихся газов теплоотдача при конденсации сильно снижается. Это происходит потому, что на холодной стенке конденсируется только пар, а воздух остаѐтся. При отсутствии конвекции с течением времени воздух скапливается около стенки и оказывает значительное препятствие продвижению пара к стенке;

г) скорость и направление течения пара.

При значительных скоростях поток пара оказывает динамическое воздействие на конденсатную пленку. Если движение пара совпадает с направлением течения пленки, поток пара ускоряет движение конденсата в плѐнке, еѐ толщина уменьшается и коэффициент теплоотдачи возрастает. При движении пара снизу вверх течение плѐнки тормозится, толщина еѐ увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается.

2.3.Лучистый теплообмен

2.3.1.Основные понятия. Поглощательная, отражательная и пропускательная способность тела

Излучение представляет собой процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн, возбудителями которых являются заряженные элементарные частицы. Для теплотехники представляет интерес только то излучение, которое при поглощении его телами превращается в теплоту. Такими свойствами обладают в основном световые и инфракрасные лучи, называемые обычно тепловыми. Длина волны излучения тепловых лучей лежит в пределах от 0,4 до 40 мкм.

Лучистая энергия, переданная на какое-нибудь тело, в общем случае частично поглощается этим телом, отражается и проходит через него (рис. 55).

Если обозначить через Q0 общее количество лучистой энергии, посту-

Рис. 55

94

пающей на тело, а через QA , QR и QД - соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него, т.е.

A, R и Д - соответственно поглощательная, отражательная и пропускная способность тела.

Если А = 1, а R + Д = 0, то тело полностью поглощает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе нет. Свойствами, близкими к абсолютно черному телу, обладает нефтяная сажа А = 0.9 ÷ 0.96,вода и лед

А = 0.92 ÷ 0.95, черное сукно А = 0.98.

Если R = l, a A + Д = 0, то тело полностью отражает падающие на него тепловые лучи. Такое тело называется зеркальным либо абсолютно белым. К числу тел, близких по свойствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов - золото, медь и др. Для полированных металлов R = 0.95 ÷ 0.97.

Если Д = 1, а А + R = 0, то тело пропускает через себя все падающие на себя лучи. Такое тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным. Многие тела и среды прозрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрасного излучения.

2.3.2. Излучательная способность тела. Закон Планка

Излучаемая способность Е представляет собой количество энергии, изучаемое единицей поверхности в единицу времени в

95

диапазоне волн от λ= 0 до λ= ∞. Энергия излучения неравномерно распределена по длинам волн и поэтому вводится понятие спектральной интенсивности излучения Jλ, которая представляет собой

излучательную способность в бесконечно малом диапазоне d , т.е.

абсолютно черного тела JOλ = f (λ,T) в зависимости от длины волны температуры тела теоретически установил Планк, и этот закон называется законом Планка.

Сущность закона заключается в том, что при λ= 0 JOλ = 0 ; с увеличением длины волны интенсивность излучения возрастает и при некотором λт достигает своего максимального значения. При дальнейшем увеличении длины волны интенсивность излучения падает и при λ→ ∞ асимптотически приближается к нулю. С повышением температуры максимум излучения увеличивается.

2.3.3. Закон Стефана - Больцмана

Полное количество энергии, излучаемой абсолютно - черным телом в диапазоне длин волн от 0 до ∞ находится интегрированием закона Планка.

черного тела.

Формула (2.73) носит название закона Стефана - Больцмана, который гласит: полная энергия излучения пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени.

Для серых тел закон Стефана - Больцмана имеет вид

96

Если разделить (2.73) на (2.74), получим относительную излучательную способность тела, или степень черноты

Т4

ЕС0 100 (2.76)

2.3.4.Лучистый теплообмен между твердыми телами

Рассмотрим случай лучистого теплообмена между двумя стенками, имеющими большую поверхность и расположенными параллельно на небольшом расстоянии одна от другой (см. рис.56). Пусть температуры поверхности стенок постоянно поддерживаются равными T1 и T2, причем T1 >T2. Левая

пенка излучает на правую энергию Е1; часть еѐ, равная 2 Е1 погло-

97

щается, а остальная часть(l - 2 )Е1 отражается обратно на левую,

где снова часть поглощается и снова остальная часть отражается.

Чтобы определить энергию Q1 2 которую левая стенка путем излучения передает правой, надо из первоначально излучаемой

энергии Е1 вычесть: 1) то, что возвращается, и 2) ту энергию, которая поглощается из излучаемой правой стенкой. Поскольку наибольшую силу имеют однократное отражение и поглощение, то с некоторым приближением можно принять

Q1 2 1 F 2 E2 F 1

( F - поверхность тела). Тогда на основании закона Стефана - Больцмана получим

98

2.4.Процессы теплопередачи

2.4.1.Сложный теплообмен

Рассмотренные выше отдельные процессы переноса тепла - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение в реальных условиях, как правило, протекают одновременно и влияют друг на друга.

Конвекция, например, в газообразных средах обычно сопровождается тепловым излучением, тепловое излучение - теплопроводностью и конвекцией и т.д. Обычно результат одновременного действия отдельных явлений переноса теплоты объединяется. Так, процесс передачи тепла между потоком газа и стенкой является результатом совокупного действия конвективного теплообмена и теплового излучения. Здесь в качестве основного явления принимается конвекция. Количественной характеристикой сложного теплообмена служит эффективный коэффициент теплоотдачи 0 .Он получается путем суммирования переноса теплоты q0 за счет конвекции

q к и излучения q л :

Количество теплоты, передаваемое газом с температурой Т г

поверхности стенки с температурой Т ст за счет конвекции, находится из закона Ньютона - Рихмана

где а к - коэффициент теплоотдачи конвекцией.

Количество теплоты, передаваемое излучением, находится по формуле

Суммируя (2.80) и (2.81), получаем

99

qо qк

2.4.2. Теплопередача. Уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи

Теплопередачей считается процесс переноса тепла от горячей жидкости к холодной через разделяющую их твердую стенку. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент теплопередачи К, значение которого определяет количество тепла, переданного в единицу времени от одной жидкости к другой

через поверхность стенки в 1м 2 при разности температур между ними в один градус.

Расчетная формула имеет вид

100