1. Виды конденсации пара и особенности теплообмена при конденсации.

Конденсация – процесс перехода пара (газа) в жидкое или твердое состояние (десублимация). При конденсации пара выделяется теплота фазового перехода (скрытая теплота парообразования), поэтому процесс конденсации неразрывно связан с теплообменом.

Условия протекания стационарного процесса конденсации:

температура стенки должна быть ниже температуры насыщения при данном давлении

2) отвод теплоты от поверхности, на которой образуется конденсат.

Различают три вида конденсации: пленочную, капельную и смешанную. Пленочная конденсация возможна при условии смачивания конденсирующейся жидкостью данной поверхности. При этом конденсат стекает с поверхности теплообмена в виде пленки. На плохо смачивающихся (загрязненных) поверхностях наблюдается капельная конденсация, при которой конденсат образуется в виде капель разных размеров. При смешанной конденсации на разных участках поверхности теплообмена одновременно происходит и капельная и пленочная конденсация. Интенсивность теплоотдачи при пленочной конденсации значительно ниже, чем при капельной из-за значительного термического сопротивления пленки конденсата. В теплообменных устройствах пленочная конденсация наблюдается значительно чаще, чем капельная, поэтому в нашем кратком курсе рассмотрим только расчет теплоотдачи при пленочной конденсации.

Теплообмен при конденсации связан с фазовым переходом вещест­ва из пара в жидкость, сопровождающимся одновременным переносом теплоты и массы от пара к поверхности теплообмена. Учитывая, что процесс конденсации обычно протекает при р = const, количество теплоты, переданной 1 кг пара, можно полагать равным разности энтальпии пара и жидкости (при конденсации насыщенного пара -равным теплоте парообразования). Количество перенесенной массы равно количеству сконденсированного пара.

2. Теория пленочной конденсации Нуссельта.

Рас­смотрим основные положения этой теории.

При решении этой задачи приняты следующие предпосылки и допущения: 1) движение жидкой пленки по всей поверхности лами­нарное; 2) силы поверхностного натяжения на границе пленка-пар не влияют на характер течения пленки; 3) трение и температурный скачок на границе паровой и жидкой фаз пренебрежимо малы; 4) силы инерции, возникающие в пленке, пренебрежимо малы в сравнении с силами тяжести и трения; 5) температура внешней поверхности пленки равна и так же, как и , не меняется по высоте стенки; 6) физические параметры конденсата , с, р не зависят от температуры; 7) плотность пара пренебрежимо мала по сравнению с плотностью жидкости.

Представлено решение задачи конденсации насыщенного неподвижного пара на вертикальной поверхности. Несмотря на существенный прогресс в исследованиях процесса конденсации, теория Нуссельта сохраняет прикладное значение и методическую ценность, поскольку при внешней простоте исходных уравнений и элегантности их решения верно описывает основные физические эффекты пленочной конденсации.

Схема течения и система координат представлены на рисунке. Запишем основные уравнения для пленки конденсата (теплопроводности, движения, неразрывности)

2. 

3. (2.3)

4. (2.4)

5. , (2.5)

6. y=0, T=T_s, v_x=0, v_y=0, (2.6)

7. y=(x), T=T_*, v_x/y=0, v_y=q/r+v_x(y=), (2.7)

где T-температура; T_s, T* –температура стенки и конденсации пара; x,y- декартовы координаты; (x)-толщина пленки конденсата; =d/dx; v_x,v_y-компоненты скорости; ,-плотность и вязкость жидкости; g- ускорение свободного падения; q- плотность теплового потока; r-удельная теплота конденсации.

Согласно условию (2.7) компонента скорости v_y на поверхности пленки складывается из потока конденсата и составляющей скорости поверхности жидкости.

Решение уравнения (2.3), с учетом условий (2.6),(2.7), имеет вид

,

где T=T_*-T_s.

Согласно закону Фурье, плотность теплового потока в пленке

, (2.8)

где -коэффициент теплопроводности жидкости.

Коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке

. (2.9)

Компонента скорости v_x определяется путем интегрирования уравнения (2.4) с учетом условий (2.6),(2.7)

. (2.10)

Найдем распределение толщины слоя жидкости с учетом увеличения ее массы за счет конденсации пара. Поскольку плотность жидкости постоянна, используем дифференциальное уравнение неразрывности. Умножим все члены уравнения (2.5) на dy и проинтегрируем в области, ограниченной линиями y=0 и y= x

.

Имеем

.

Учитывая правило Лейбница,

,

а также условия (2.6),(2.7), можем записать

. (2.11)

Отметим, что в данной задаче достаточно выполнить интегрирование уравнения неразрывности по одной переменной.

Рассматривая совместно выражения (2.8),(2.10) и (2.11), получим уравнение для толщины пленки

. (2.12)

Напомним, что по Нуссельту для пленки конденсата единичной ширины увеличение массы жидкости   на участке dx обусловлено конденсацией пара, массой   на его поверхности. Здесь  – средняя по толщине пленки осевая скорость.

Выполнив интегрирование уравнения (2.12) с учетом условия x=0, =0, получим расчетное выражение для толщины пленки

. (2.13)

Оно совпадает с результатом Нуссельта.

Подставив выражение (2.13) в (2.9), получим выражение для местного коэффициента теплоотдачи

.

Усредненное по высоте поверхности стенки значение коэффициента теплоотдачи

, (2.14)

где  , h - высота поверхности.

Расчетное выражение (2.14) совпадает с результатом Нуссельта.

3 Теплоотдача при конденсации неподвижного пара и ламинарном течении пленки конденсата. Формула Капицы для волнового течения пленки. Решения в безмерном виде.

Влияние режима стекания пленки. Режим движения пленки в зависимости от ее толщины и длины участка течения может быть лами­нарным и турбулентным. При этом ламинарное течение может Сопро­вождаться волновым движением пленки, возникновение которого связано с силами поверхностного натяжения между поверхностью пленки и паром и случайными возмущениями на поверхности пленки.

Вертикальные стенки и трубы. Опытные значения а при конденсации на вертикальных стенках и трубах оказываются более высокими, чем вычисленное по формуле Нуссельта (8.22). Это можно объяснить тем, что в действительности в этих условиях течение конденсатной пленки имеет волновой характер. Случайные возмуще­ния могут деформировать внешнюю поверхность пленки и отклонять ее от равновесного состояния. Силы поверхностного натяжения стре­мятся вернуть пленку в равновесное состояние. В результате на по­верхности пленки возникают волны.

П.Л.Капица показал, что при установившемся периодическом волновом стекании пленки по вертикальной стенке ее среднее терми­ческое сопротивление несколько меньше, чем при строго ламинарном течении при том же расходе жидкости. Соответственно средний коэф­фициент теплоотдачи примерно на 21 % выше, чем при ламинарном течении, т. е. a s 1,21 oc_Nu, где oc_Nu определяется по уравнению (8.22).

В действительности, как показали исследования, волновое тече­ние обычно имеет хаотичный, беспорядочный характер, а амплитуды волн увеличиваются с увеличением расхода жидкости в пленке [31]. Для расчета среднего коэффициента теплоотдачи с учетом развития волнового течения пленки Д. А. Лабунцовым предложена поправка к формуле Нуссельта в виде множителя

(8.25)

Здесь - критерий Рейнольдса для пленки, отнесенный к нижнему по ходу течения конденсата сечению и вычисленный прц температуре насыщения.

С учетом этой поправки при конденсации на вертикальной трубе

(8.26]

Выражение критерия Рейнольдса жидкостной пленки в произвола ном сечении, находящемся на расстоянии х от начала участка конден­сации, можно преобразовать, выразив произведение '_ы через расход конденсата ( - размер, перпендикулярный плоскости у на рис. 8.3). В свою очередь,

В-этих соотношениях - тепловой поток, переданные паром стенке на участке высотой - средние значения плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи и температур­ного напора для этого участка. С учетом приведенных соотношения запишем:

(8.27)

Для определения коэффициента теплоотдачи, среднего для стенк^ высотой Я, при ламинарно-волновом течении сначала по уравнений (8.22) определяют а для ламинарного течения, затем по формулу

(8.27) и е₀ по уравнению (8.25). После этого рассчитывают а по уравне­нию (8.26).

Наиболее часто используемое значение , тогда

(8.23)

Эту формулу обычно и применяют для расчета а при конденсации пара на вертикальных плоских стенках и трубах.

Верхний предел применение формулы (8.26) ограничен критическим значением критерия Рейнольдса для пленки , характеризующим переход от ламинарного к турбулентному течению пленки. По данным разных авторов, имеет различные численные значения - от 60 до 500.

Рис. 8.7. Конденсация на вертикальной стенке большой высоты:

а — режимы течения пленки: / — ламинарч но-волновое; II — турбулентное; б — изме­ нение коэффициента теплоотдачи по высоте

4 Теплоотдача при конденсации неподвижного пара и турбулентном течении пленки конденсата.

При турбулентном режиме течения пленки ламинарное движение сохраняется только в пристенном пограничном слое, в остальной части имеет место вихревое движение (рис. 8.7). Критическому числу Рей-нольдса для пленки, которое может быть принято [16] равным 400, соответствует определенная высота стенки (или трубы) х_кр, при которой происходит переход от ламинарного движения в турбу­лентное.

Заметим, что в некоторых книгах значение для пленки определяется по учетверенному значению В этом случае

Совместное решение уравнений (8.27), (8.22) позволяет предста­вить в виде

(8.29)

Из сказанного выше следует, что при конденсации неподвижного пара на вертикальных трубе или стенке режим движения может быть либо ламинарно-волновым, либо смешанным: ламинарно-волновым в верхней и турбулентным в нижней части трубы.

При высоте трубы или стенки в верхней части на участке от имеет место ламинарно-волновое, на участке от х = *х_Кр до х = Я - турбулентное, а в целом на поверхности высотой Я -смешанное течение пленки конденсата. Значение можно подсчи­тать по уравнению (8.29), и оно зависит от температурного напора, теплофизических свойств конденсата и ускорения свободного паде­ния. При для аммиака^ , для R12 - 5,2 м, для R22 - 4,9 м.

Конденсация при турбулентном и смешанном режимах течения пленки исследовалась С. С. Кутателадзе, Д. А. Лабунцовым, Р. Дакле-ром и др. Для смешанного режима движения пленки расчет коэффи­циента теплоотдачи можно осуществить с помощью следующего урав­нения подобия, предложенного Д. А. Лабунцовым [31]:

(8.30)

Здесь определяющими являются критерии и критерий характеризующий приведенную высоту стенки. Индекс g при l указывает на то, что формула относится к случаю, когда пленка конденсата движется под действием силы тяжести (или, иначе, - ускорения свободного падения g). Формула (8.30) справедли­ва при

Определяемым в уравнении является безразмерный параметр [при , соответствующем уравнению (8.27)]. Величина выражена в метрах и играет роль характерного размера. Формулой (8.30) удобно пользоваться, если задан температурный напор . В случае, когда задана плотность теплового потока, опреде­ляющим является критерий Re и расчетное уравнение (относящееся к ) удобно представить в виде [31]:

(8.30)

При когда на большей части поверхности пленка движется турбулентно, уравнение принимает вид

(8.31)

В уравнениях (8.30)...(8.32) определяющей температурой служит температура насыщения t_н.

Заметим, что в процессах конденсации Re для пленки помимо своей обычной роли гидродинамического критерия непосредственна характеризует и интенсивность теплообмена [см. уравнение (8.27)].

Горизонтальные трубы. При конденсации на горизонтальных трубах не слишком большого диаметра волновое течение не успевает развиваться, и опытные данные подтверждают справедливость формулы (8.23) при условии t_c = const. При q_c = const коэффициент 0,728 должен быть заменен на 0,693 [16]. По рекомендациям Д.А. Лабунцова, поправку на волновое движение нужно вводить при диаметре трубы . В соответствии с этих при волновой режим стекающей конденсатной пленки R12. R22 может наблюдаться на трубах с , аммиака - на трубах

Влияние сил инерции, конвективного переноса теплоты и изменения теплофизических свойств конденсата. Как показали теоретичен кие исследования, влиянием сил инерции и конвективного переноса теплоты в ламинарной пленке можно пренебречь [16, 31] при . Таким образом, в обычных условиях конденсации, которые соответствуют значениям , теория Нуссельта согласуется с опытом.

Изменение теплофизических свойств конденсата с темпратурой в общем случае влияет на величину В практических расчётах по формулам (8.22)...(8.24) и (8.26) удобнее принимать все теплофизические характеристики конденсата при температуре В этой случае, как и при использовании формул (8.30), (8.32), по предложение Д.А. Лабунцова, влияние температуры пленки на а можно учитыват! умножая значение а, найденное по перечисленным формулам, на множитель

(8.33)

Поправка _t получена при При малых значениях характерных для условий работы конденсаторов холодильных машин, . При конденсации водяного пара и для давления насыщения в пределах р = (1... 100) 10⁵ Па.

При конденсации на вертикальных и наклонных плоских стенках влиянием изменения температуры стенки можно пренебречь. При конденсации на горизонтальной трубе в случае переменной отве­чающей условию значение коэффициента теплоотдачи ниже рассчитанного по уравнению (8.23) примерно на 5 % [16].

5 Теплоотдача при пленочной конденсации неподвижного пара на горизонтальных трубах и пучках труб.

Конденсаторы теплоэнергетических и холодильных установок часто выполняют в виде пучка горизонтальных труб, расположенных в шахматном, коридорном или ромбическом порядке. В этом случае условия конденсации и теплообмена на различных по высоте рядах труб в пучке будут неодинаковыми и отличными от конденсации и теплообмена на одиночной трубе. При конденсации чистого (однокомпонентного) пара отличие теплообмена на пучке горизонтальных труб от одиночной трубы обусловлено двумя обстоятельствами: 1) натеканием конденсата с верхних труб на нижние; 2) уменьшением скорос­ти пара при его перемещении от одной трубы к другой из-за частичной конденсации.

Первый фактор приводит к изменению режима течения и утолще­нию пленки конденсата, по мере его стекания с одной трубы на другую. Уменьшение скорости пара приводит к ослаблению его динамического воздействия на пленку. Разделить влияние этих двух факторов очень сложно.

Рассмотрим влияние процесса натекания конденсата, считая, что пар движется очень медленно. Если предположить, что стекание кон­денсата с верхних рядов на нижние непрерывное, то толщина пленки должна увеличиваться, а коэффициент теплоотдачи уменьшаться от ряда к ряду при перемещении сверху вниз (рис. 8.9. а, б). Исходя из такой модели, Нуссельтом в соответствии с формулой (8.23) получено уравнение для расчета среднего коэффициента теплоотдачи пучка

(8.38)

Рис. 8.9. Конденсация на пучке горизон­тальных труб: а — непрерывное ламинарное отекание . конденсата; б — действительный характер отекания в пучке труб

Его можно представить в виде

(8.39)

Где — коэффициент теплоотдачи неподвижного пара, рассчитанный по формуле (8.23); — коэффициент, учитывающий влияние числа рядов на теплообмен при конден­сации в пучке; n — число труб в вертикальном ряду (см. рис. 8.9, о).

Как показывают экспериментальные исследования, в действитель­ности стекание конденсата с трубки на трубку происходит не плавно, а в виде отдельных капель и струек (см. рис. 8,9, б). Последние, попадая на нижележащую трубку, с одной стороны, утолщают пленку (в мо­мент падения), а затем растекаются по поверхности, а с другой - турбулизируют движение конденсата в пленке. Вследствие этого некото­рое увеличение толщины пленки в момент падения в известной степе­ни компенсируется турбулизирующим действием капель и брызг на характер движения конденсата. Следовательно, действительный коэффициент теплоотдачи должен быть выше, чем рассчитанный по уравнению (8.38). До сих пор отсутствуют четкие количественные зави­симости для оценки влияния пучка с этой точки зрения.

По данным Д. Керна [39], это обстоятельство можно учесть введе­нием в уравнение (8.39) величины , где п - среднее число горизонтальных рядов труб в пучке.

По данным С. С. Кутателадзе, можно учитывать гидродинамичес­кое влияние конденсата, натекающего на данную трубу, с помощью параметра - суммарный расход конденсата, стекающего по трубе п^:го ряда, а - расход конденсата, образующегося на той же трубе.

В случае ламинарного течения пленки средний коэффициент теплоотдачи для пучка с числом гидродинамически взаимодействую­щих рядов труб, равным п, вычисляется по выражению Здесь - коэффициент теплоотдачи верхнего ряда, который при равен и определяется по формуле (8.23);

При этом предполагается, что температурный напор для всех рядов одинаков.

Значения £_п, полученные С. С. Кутателадзе и Ф. П. Минченко в опытах при конденсации водяного пара на свободном (нестесненном) пучке труб, можно определить по рис. 8.10.

При конденсации на больших и тесных трубных пучках пар нельзя рассматривать как неподвижный, так как объем межтрубного прост­ранства, по которому он перемещается, невелик.

При подаче пара сверху он с наибольшей скоростью обтекает верхний ряд труб. Затем по мере конденсации при переходе от одного ряда к другому скорость уменьшается, что влияет на локальные коэффициенты теплоотдачи каждого ряда. По данным некоторых исследователей [39], учет влияния скорости пара при конденсации на пучке труб может быть осуществлен по формуле (8.36) для одиночной трубы, если расчет среднего коэффициента теплоотдачи вести по локальным (для каждого ряда) коэффициентам и в качестве скорости w_n использовать скорость пара, вычисленную для свободного сечения пучка перед данным рядом.

Совместное влияние скорости пара, толщины и характера движе­ния пленки конденсата приводит к существенным отклонениям дейст­вительных условий конденсации от принятых в теории Нуссельта. Так, в первых (по пути движения пара) рядах труб коэффициенты тепло­отдачи могут быть большими, чем по теории Нуссельта для неподвиж­ного пара [формула (8.23)]. При высоких скоростях (численное значе­ние их зависит от свойств вещества) влияние скорости может сказаться на а в большей степени, чем влияние толщины пленки, и средние коэффициенты теплоотдачи для пучка могут оказаться более высоки­ми, чем вычисленные по теории Нуссельта (рис. 8.11).

При очень высоких скоростях происходит дробление отрывающих­ся от пленки капель конденсата, их унос в паровое пространство и лишь частичное попадание на другие трубы. Это может компенсиро­вать отрицательное влияние увеличения толщины и термического сопротивления пленки при ее стекании с одного ряда труб на другой. В этих условиях коэффициент теплоотдачи для всех рядов пучка будет практически одинаковым.

Для расчета среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации движущегося насыщенного водяного пара на пучке труб можно, использовать уравнение, предложенное Л. Д. Берманом [41]:

где — средний коэффициент теплоотдачи пучка с учетом скорости пара; — поправка на скорость движения пара; здесь - находится по формуле (8.23); - степень конденсации; здесь - массовые расходы пара на входе в пучок и на выходе из него (при полной конденсации ). Отношение определяется по уравнению

Для аммиака совместное влияние динамического воздействия парового потока и натекания конденсата в многорядном пучке труб не изучено. Ориентировочно его можно учесть с помощью приведенных выше уравнений для водяного пара.

Средний коэффициент теплоотдачи при конденсации движущегося пара хладонов на пучке труб может быть приближенно рассчитан по уравнению в котором определяется по формуле (8.37) при - скорости пара над верхним рядом труб. Более точные рекомендации даны в [25].

6 Теплоотдача при пленочной конденсации пара, движущегося внутри труб.

Теплообмен при конденсации пара внутри трубы является еще более сложным сравнительно с рассмотренными ранее случаями. Здесь имеет место направленное движение пара, скорость которого перемен­на по длине трубы. Начальная скорость пара может достигать высоких значений. Как и в случае, рассмотренном в предыдущем разделе, режим движения пленки и коэффициент теплоотдачи зависят от соотношения между силой трения на поверхности раздела фаз и силой тяжести в пленке. Направление сил здесь зависит и от положения трубы в пространстве.

Величина силы трения на границе между паром и пленкой будет зависеть от соотношения режимов течения пара и пленки, причем эти режимы могут меняться вдоль трубы. Так, турбулентное движение пара на входе в трубу может перейти в ламинарное в конце при не-полной конденсации. В случае полной конденсации осевая скорость пара в конце трубы будет равна нулю. Наоборот, режим движения конденсата по длине трубы может перейти из ламинарного в турбу­лентный.

Рис. 8.12. Схема конденсации пара внутри горизонтальной трубы при ламинарном течении

пленки

В настоящее время нет достаточно полных обобщенных зависимос­тей, позволяющих рассчитывать теплоотдачу при конденсаций в трубах. Наиболее изучен процесс конденсации пара, медленно движу­щегося внутри горизонтальной трубы при невысоких плотностях теп­лового поток а . Такие условия встречаются в некоторых типах конденсаторов холодильных машин, и в частности в воздушных конденсаторах. Результаты выполненных исследований сводятся к следующему. При малых конденсат, образующийся на верхней части сечения трубы, стекает в виде пленки по ее внутренней по­верхности в нижнюю часть сечения, образуя так называемый донный конденсат. Характер движения последнего вдоль прямой трубы ана­логичен потоку однофазной жидкости в открытом канале (ручье). Схема пленочной конденсации пара внутри трубы при ламинарном течении пленки представлена на рис. 8.12. Глубина жидкости в ручье по длине трубы увеличивается, на участке вытекания из трубы - падает. Скорость пара уменьшается по мере его конденсации Рассмотренная структура двухфазного потока называется расслоен­ной. В этом случае преобладающее влияние на процесс течения оказы­вают силы тяжести в пленке, а влияние сил трения на границе раздела фаз пренебрежимо мало. На выходе из прямой трубы при полной конденсации пара Соотношение между площадью по­верхности, на которой происходит конденсация и образуется пленка, и площадью поверхности, занятой донным конденсатом, определяется величиной пленочного угла , измеренного от вертикальной оси сечения трубы до пересечения пленки с поверхностью ручья (см. рис. 8.12). Значение пленочного угла зависит от свойств жидкости, температурного напора (или плотности теплового потока), диаметра трубы и выходных условий.

Решение задачи конденсации внутри труб осуществлялось рядом исследователей. Полученные приближенные теоретические решения, выполненные Д. Чэддоком и Д. Чэйто с теми же предпосылками, что и в теории Нуссельта, приводятся к виду

(8.40)

Здесь — средний коэффициент теплоотдачи в данном поперечном сечении, отнесенный к поверхности, занятой пленкой (соответствующей углу ); — величина, зависящая от пленочного угла ; рассчитывают по формуле (8.23), в которую вместо d подставляют d_BH.

Если пренебречь влиянием теплоотдачи через донный конденсат и считать, что значение постоянно по периметру сечения, то средний коэффициент теплоотдачи для данного сечения трубы

(8.41)

Чтобы найти средний коэффициент теплоотдачи для трубы длиной , нужно знать изменение пленочного угла по длине трубы и иметь возможность подсчитать его среднее значение. Подстановка в (8.41) дает величину .

По данным ряда авторов, величина среднего пленочного угла незначительно меняется по длине трубы, если скорость конденсации по длине постоянна и сток жидкости на выходе свободен. Его значение для жидкостей с составляет 110...130°. В соответствии с этим формула для конденсации в трубах с относительным наклоном оси трубы к горизонту 0,002 имеет вид

(8.42)

Здесь усреднение осуществляется и по сечению, и по длине трубы. Выражение (8.42) соответствует тем же предпосылкам, что и (8.41). При изменении наклона труб в условиях расслоенного течения теплоотда­ча несколько увеличивается из-за облегчения условий стекания и уменьшения высоты донного конденсата. Оптимальный наклон труб 10...20^е, что соответствует увеличению а на 10...20 %.

Заметим, что описанная модель потока при конденсации в гори­зонтальных трубах указывает на весьма малую зависимость от длины трубы.

7. Влияние различных факторов на теплоотдачу при конденсации пара.

Влияние перегрева и влажности пара. Если температура пара выше температуры конденсации, а температура стенки то, подходя к поверхности теплообмена, пар должен охлаждаться и возле по­верхности пленки иметь температуру При этом он передает конден­сату, а через него стенке теплоту

где — теплота перегрева; — энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара; — энтальпия насыщенной жидкости.

Влияние ориентации трубы. Рассмотрение формул (8.23) и (8.28) позволяет найти следующее соотношение для коэффициентов тепло­отдачи горизонтальной и вертикальной труб при прочих равных условиях:

Очевидно, что при теплоотдача на горизонтальной трубе выше, чем на вертикальной.

Влияние состояния поверхности. При конденсации на шерохова­тых или окисленных поверхностях коэффициент теплоотдачи умень­шается, так как из-за сопротивления течению увеличивается толщина пленки конденсата. Кроме этого, окисные осаждения создают допол­нительное термическое сопротивление переносу теплоты от пара к стенке.

Влияние скорости пара. В теории Нуссельта не учитывается скорость движения пара. В действительности он не может быть абсо­лютно неподвижным, так как место пара, сконденсированного у поверхности пленки, занимает пар, подтекающий из основной массы. Если объем этой массы неограничен, то средняя скорость подтекания пара В этом случае даже при высоких скорость невелика и пар можно рассматривать как неподвижный.

Конденсация смеси паров. При конденсации смеси паров фазовая граница пар - конденсат проницаема для всех компонентов. Вследст­вие неоднородного распределения концентраций в паровой смеси теплообмен зависит не только от термического сопротивления конден­сата, но и от диффузного сопротивления прилегающего к нему парово­го слоя.

Конденсация паров неограниченно смешивающихся жидкостей носит пленочный характер. При конденсации паров несмешивающихся жидкостей возникают внепленочные конденсатные образования (капли). Вид конденсации зависит, кроме того, от состава (концентрации смеси) и от плотности теплового потока.

Для конденсации паров несмешивающихся жидкостей на горизон­тальной трубе может быть использована приближенная эмпирическая формула

где — средние коэффициенты теплоотдачи для первого и второго компонентов, определяемые по формуле Нуссельта; - массовые концентрации компонентов в смеси.

7. Режимы кипения в большом объеме и особенности теплообмена.

Наиболее простым и вместе с тем весьма важным для установ­ления некоторых общих закономерностей является кипение в боль­шом объеме при свободном движении жидкости. В этом случае гид­родинамические условия процесса определяются собственно паро­образованием, а образующийся пар свободно удаляется от поверх­ности нагрева.

Рассмотрим процесс теплообмена между погруженным в жидкость плоским нагревателем и жидкостью при постоянном давлении и соответствующей ему температуре насыщения • Развитие и смена различных режимов кипения зависят от условий подвода теплоты.

Пусть в нашем случае обогрев производится конденсирующимся паром, т. е. в качестве независимой переменной задана температура стенки Изменяя температуру конденсации греющего пара, мы будем изменять температурный напор , определяющий интенсив­ность процесса парообразования, а следовательно, и значения плот­ности теплового потока, отводимого от источника теплоты, а также коэффициента теплоотдачи.

Зависимость между плотностью теплового потока и температур­ным напором при кипении з находят на основании' опытных данных. Наиболее наглядно изображение такой зависимости в логарифми­ческих координатах. Соответствующий график называют кривой кипения. На рис.7.3 схематически изображена типичная для всех жидкостей кривая кипения при для случая обогрева стенки конденсирующимся паром.

При малых температурных напорах (участок ОА) имеет место чисто конвективный теплообмен между греющей поверхностью и жидкостью. Перегретая у нагревателя жидкость поднимается вверх к границе раздела фаз, на поверхности которых происходит испарение. Паровые пузырьки отсутствуют. При величине температурного напора, соответствующей точке Д, начинается образование пузырьков пара. Этот температурный напор и плотность теплового потока, характе­ризующие начало кипения, обозначим . Однако при зна­чения на участке кривой АБ число паровых пузырьков еще невелико и кипение носит нераз­витый характер, перенос теплоты происходит главным образом в результате конвективного теплооб­мена и лишь в малой степени за счет парообразования.

Рис. 7.3. Кривая кипения жидкости:

I — свободная конвекция; II — пузырьковое кипение {АБ - неразвитое, БВ - развитое); III - переходный режим; IV – пленочное кипение

При дальнейшем увеличении число паровых пузырьков на греющей поверхности возрастает, увеличивается перегрев всей жидкости, что обеспечивает некоторый дополнительный подвод теплоты к пузырькам при всплытии их. Это - режим развитого ки­пения, при котором основное количество теплоты отводится от по­верхности нагрева в результате парообразования (участок БВ на кривой кипения).

На всех участках изменения температурного напора от точки О до точки В плотность теплового потока увеличивается с ростом но наибольшая степень влияния последнего соответствует развитому кипению . При (точка В) плотность теплового потока достигает максимально возможной при пузырьковом кипении величины, равной Величину называют первой критической плотностью теплового потока. При дальнейшем увеличении t плотность теплового потока уменьшается (участок ВГ кривой кипения). На поверхности нагрева образуются области, по­крытые паровой пленкой. Этот режим называется переходным (от пузырькового к пленочному), для него характерна приближенная зависимость . Теплоотдача с ростом в переходном режиме ухудшается, и при (точка Г) вся греющая поверхность покрывается паровой пленкой, при этом плотность отводимого потока становится минимальной. Величину соответствующую называют второй критической плотностью теплового потока. При начинается устойчивое пленочное кипение. Таким образом, - это минимально воз­можная плотность теплового потока для пленочного режима кипения.

При дальнейшем повышении коэффициент теплоотдачи остается постоянным либо несколько уменьшается, а при высоких увеличивается в результате переноса теплоты через паровую пленку путем излучения. Это - режим устойчивого пленочного кипения (участок ГД на кривой кипения). При этом режиме плотность теп­лового потока возрастает с ростом температурного напора, причем

Если в качестве независимой переменной использовать (на­пример, при подводе теплоты от электронагревателя), то на участке свободной конвекции и пузырькового кипения процесс развивается так же, как и при нагреве конденсирующимся паром. Кипение воз­никает при (точка А), существуют режимы неразвитого (АБ) и развитого (БВ) кипения. Но как только плотность создаваемого на поверхности теплового потока превысит пузырьковый режим сразу сменяется пленочным (линия ВД на рис. 7.3). При этом интен­сивность теплоотдачи резко падает, а температура греющей поверх­ности возрастает. Последнее обстоятельство может привести к раз­рушению греющей поверхности (например, стенки трубы), и поэтому знание величин и необходимо для правильного выбора температурных режимов работы аппаратов. Скачкообразный переход от пузырькового кипения к пленочному (линия ВД) называется первым кризисом кипения. Если при достигнутом стабильном состоянии пленочного кипения начать уменьшать , то пленочный режим сохранится вплоть до (точка Г). В точке Г наблюдается скачкообразный переход от пленочного кипения к пузырьковому (линия ГЖ). Этот переход также имеет кризисный характер и назы­вается вторым кризисом кипения. Стабильного переходного режима при независимом задании q не существует.

Различие в значениях обусловлено наличием гистерезиса в тепловых и гидродинамических явлениях при переходе от одного режима кипения к другому [24].

Значения зависят от свойств жидкости, формы, ориентации и свойств поверхности нагрева, а также от давления (темпе­ратуры) насыщения. С увеличением давления возрастает, при­мерно при достигает максимума, а затем падает. Значения могут быть рассчитаны на основе гидродинамической теории кризисов, предложенной Кутателадзе, согласно которой

где К—коэффициент.

Формула хорошо подтверждается экспериментами с неметал­лическими жидкостями при [24].

Для выбора правильного режима работы парогенераторов, выпар­ных и других энергетических аппаратов необходимо знать Действительно, увеличение температуры греющей поверхности выше определенного предела приводит к резкому снижению производи­тельности аппарата, а увеличение тепловой нагрузки выше в аппаратах, работающих при заданных тепловых потоках, - к резкому повышению температуры и разрушению металлической стенки ап­парата. Аппараты холодильных и криогенных установок, пищевой, . молочной и мясной промышленности работают при температурных напорах и нагрузках, значительно меньших . Поэтому дальше рассматривается только область пузырькового кипения.

2. Механизм парообразования и теплообмена при пузырьковом кипении. Минимальный радиус и отрывной диаметр парового пузырька.

Зависимость Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Рисунок 3.1 – режимы кипения жидкости в неограниченном объеме: а) -пузырьковый; б) – переходный; в) - пленочный

На рис. 3.1. схематически показаны режимы кипения жидкости в неограниченном объеме. При пузырьковом режиме кипения (рис. 3.1,а) по мере увеличения температуры поверхности нагрева t_c и соответственно температурного напора   число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме.

При повышении температурного напора Δt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

 , (3-1)

где Q — тепловой поток, Вт; r — теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; G_п — количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с.

Минимальный радиус пузырька

Стадии процесса парообразования:

1. зарождение пузырьков на поверхности нагрева ( );

2. рост пузырьков и их отрыв при диаметре  ;

3. движение пузырьков в объеме жидкости.

Минимальный размер парового пузырька в момент зарождения называется критическим радиусом  . Этот размер соответствует размеру неровностей на поверхности, которые являются центрами парообразования.

Критический радиус определяется из условия термодинамического равновесия фаз.

Для возникновения и существования парового пузырька необходимо, чтобы сила давления пара Р₁ внутри пузырька была не меньше суммы всех внешних сил, действующих на него, т. е силы давления жидкости и силы поверхностного натяжения. После несложных преобразований можно получить, что

,

где  – теплота парообразования, ;

–температура насыщения,  ;

- сила поверхностного натяжения жидкости,  ;

- плотность пара,  .

Из формулы видно, что при увеличении степени перегрева  или давления критический радиус  уменьшается и увеличивается общее число центров парообразования. В результате происходит интенсивное перемешивание жидкости в пограничном слое и увеличение теплоотдачи.

Отрывной диаметр пузырька

Паровой пузырек, зародившись на стенке, растет до некоторого размера – диаметра  , при котором он отрывается. Этот размер называется отрывным диаметром.

В статистических условиях отрывной диаметр парового пузырька   определяется из условий равновесия между подъемной силой, которая стремится оторвать пузырек от поверхности и силой поверхностного натяжения, удерживающей его на твердой поверхности.

В момент отрыва пузырек обычно деформирован, и форма его отклоняется от сферической. Поэтому под отрывным диаметром понимают эквивалентный диаметр  .

Схема роста парового пузыря

 - угол смачивания.

 < 90 –жидкость смачивает поверхность;

 > 90 – жидкость не смачивает поверхность.

10 Зависимость теплового потока и коэффициента теплоотдачи при кипении от температурного напора (кривая кипения). Кризисы кипения.

Зависимость между плотностью теплового потока и температурным напором при кипении з находят на основании' опытных данных. Наиболее наглядно изображение такой зависимости в логарифмических координатах. Соответствующий график называют кривой кипения. На рис.7.3 схематически изображена типичная для всех жидкостей кривая кипения при для случая обогрева стенки конденсирующимся паром.

Рис. 7.3. Кривая кипения жидкости:

I — свободная конвекция; II — пузырьковое кипение {АБ - неразвитое, БВ - развитое); III - переходный режим; IV – пленочное кипение

С увеличением давления возрастает, при­мерно при достигает максимума, а затем падает. Значения могут быть рассчитаны на основе гидродинамической теории кризисов, предложенной Кутателадзе, согласно которой

где К—коэффициент.

Формула хорошо подтверждается экспериментами с неметал­лическими жидкостями при [24].

Для выбора правильного режима работы парогенераторов, выпар­ных и других энергетических аппаратов необходимо знать Действительно, увеличение температуры греющей поверхности выше определенного предела приводит к резкому снижению производи­тельности аппарата, а увеличение тепловой нагрузки выше в аппаратах, работающих при заданных тепловых потоках, - к резкому повышению температуры и разрушению металлической стенки ап­парата. Аппараты холодильных и криогенных установок, пищевой, . молочной и мясной промышленности работают при температурных напорах и нагрузках, значительно меньших . Поэтому дальше рассматривается только область пузырькового кипения.

11 Влияние различных факторов на теплоотдачу при кипении.

Кипение может быть пузырьковым или пленочным.

При пленочном теплоотдача значительно ниже.

Высокая интенсивность теплоотдачи при кипении связана с турбулизацией пристенного слоя жидкости паровыми пузырьками и, что особенно важно, с отводом от поверхности нагрева теплоты парообразования, переносом ее вместе с паровой фазой в объем жидкости.

Среди свойств жидкости, оказывающих влияние на теплоотдачу, особое значение имеет смачиваемость поверхности нагрева жидкостью, которая определяет условия протекания процесса кипения. Дело в том, что доля поверхности непосредственного соприкосно­вения парового пузырька с твердой поверхностью зависит от краевого угла смачивания .

Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении зависит от микрохарактеристик и режимных параметров процесса кипения.

К микрохарактеристикам относятся:

· минимальный (критический) радиус парового пузыря;

· отрывной диаметр пузыря;

· частота отрыва и скорость роста пузырей.

К режимным параметрам относятся:

· давление кипящей жидкости (р);

· перегрев жидкости (ΔТ=T_с-T_s);

· тепловой поток, подводимый к 1 м² поверхности нагрева (q);

· скорость движения кипящей жидкости.

Теоретически и экспериментально установлено, что с увеличением р, ΔТ, q улучшаются все макрохарактеристики процесса кипения, увеличивается теплоотдача.

Теплоотдача при кипении зависит от свойств кипящей жидкости растет:

· с увеличением коэффициента теплопроводности;

· с уменьшением коэффициента поверхностного натяжения;

· с уменьшением вязкости жидкости.

Влияние на теплообмен при кипении оказывают состояние поверхности нагрева, ее материал, смачиваемость, количество адсорбированных газов и свойства греющей стенки. Теплоотдача растет с увеличением шероховатости поверхности, теплопроводности и толщины греющей стенки. Все эти факторы влияют на число центров парообразования.

12 Теплоотдача при пузырьковом кипении в условиях свободного движения.

коэффициент теплоотдачи при кипении является функцией многих независимых переменных:

(7.13)

Иначе говоря, он зависит от теплофизических свойств жидкости, от физико-химических свойств системы жидкость - поверхность нагрева, микрошероховатости поверхности нагрева, давления (температуры) насыщения и от температурного напора (или плотности теплового потока).

Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении возрастает с ростом теплопроводности, теплоемкости и плотности жидкости и с уменьшением ее вязкости и поверхностного натяжения . Увеличение плотности пара и теплоты парообразования также приводит к росту коэффициента теплоотдачи. Для всех жидкостей при пузырьковом кипении увеличивается с увеличением и давления. Кроме величин, отраженных в уравнении (7.13), на интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении влияет еще целый ряд фак­торов. К ним относятся величина недогрева жидкости, уровень жидкости над поверхностью нагрева, характер движения жидкости, ускорение свободного падения и др.

В настоящее время количественная связь между коэффициентом теплообмена и факторами, от которых он зависит, устанавливается опытным путем. Для того чтобы можно было распространить полученные результаты на другие условия, их обобщают, применяя различные методы.

13 Особенности движения и теплоотдача при кипении жидкости внутри труб.

При кипении движущейся жидкости внутри труб образование паровой фазы происходит на твердой поверхности теплообмена (поверхностное кипение) и внутри самого объема насыщенной жидкости (объемное кипение).

При кипении движущейся жидкости в трубе возникающий пар движется вместе с жидкостью, образуя парожидкостную смесь с непрерывно возрастающим паросодержанием. Интенсивность теплообмена при кипении в трубах зависит не только от поверхностной плотности теплового потока, физических свойств жидкости и давления, но и от гидродинамической структуры потока. Структура двухфазного потока в вертикальных и горизонтальных трубах различна.

В вертикальных трубах при движении потока снизу вверх различают три зоны (рис. 9.17). Зона I — зона подогрева поступающей жидкости (эко- номайзерный участок) вследствие конвекции до температуры насыщения (рис. 9.17, а).

Рис. 9.17. Движение пароводяной смеси при кипении жидкости в вертикальных (а) и горизонтальных (б) трубах

Зона II — зона кипения (испарительный участок). В этой зоне происходит как поверхностное, так и объемное кипение жидкости. В нижней части зоны происходит поверхностное кипение 1, которое в дальнейшем переходит в объемное, где наблюдаются эмульсионный 2, пробковый 3 и стержневой 4 режимы течения. В эмульсионном режиме мелкие пузырьки пара равномерно распределены по сечению потока. С увеличением паросодер- жания мелкие пузырьки сливаются, образуя пузырьки-пробки, которые соизмеримы по размеру с диаметром трубы. В пробковом режиме крупные пузыри пара разделены прослойками парожидкостной эмульсии. В дальнейшем крупные пузыри пара сливаются, образуя стержневую структуру потока. В стержневом режиме по центру трубы движется пар, а на стенке ее расположен тонкий кольцевой слой жидкости. По мере испарения жидкости толщина кольцевого слоя у стенки уменьшается.

Зона III — зона подсушки пара. Эта зона начинается после полного испарения жидкости на поверхности трубы и наблюдается только в длинных трубах.

С увеличением скорости циркуляции происходит увеличение длины так называемого экономайзерного участка (т.е. участка, где отсутствует кипение жидкости) и уменьшение зоны развитого кипения. С увеличением же поверхностной плотности теплового потока, наоборот, уменьшается эконо- майзерный участок и увеличивается зона развитого кипения.

При естественной циркуляции в вертикальных трубах опытами установлено, что зона подогрева отсутствует. Условия теплообмена здесь аналогичны условиям кипения жидкости в пространстве большого объема.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим наклоном в зависимости от паросодержания в потоке структура его может быть (рис. 9.17, б): расслоенной 1, волнообразной 2 и эмульсионной 3. Расслоенную структуру имеет поток при небольшом паросодержании. В этом случае в нижней части трубы движется жидкая фаза, а в верхней — паровая фаза. При увеличении паросодержания потока граница раздела фаз приобретает волновой характер, и жидкость периодически достигает верхней части трубы. В дальнейшем по мере увеличения паросодержания потока и его скорости на поверхности трубы образуется движущаяся жидкая пленка, а внутри трубы — перемещающаяся парожидкостная эмульсия. При эмульсионной структуре полной осевой симметрии в потоке нет. При расслоенной структуре потока интенсивность теплообмена в верхней части трубы, где находится паровая фаза, невелика. Наиболее благоприятные условия теплообмена создаются при эмульсионной структуре потока.

При вынужденном движении кипящей воды в трубах коэффициент теплоотдачи а может быть подсчитан по следующим формулам:

где а_к — коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый по (9.47); a_w — коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме движения воды в трубах.

14 Теплоотдача при кипении жидкости на горизонтальных пучках труб.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим наклоном в зависимости от паросодержания в потоке структура его может быть (рис. 9.17, б): расслоенной 1, волнообразной 2 и эмульсионной 3. Расслоенную структуру имеет поток при небольшом паросодержании. В этом случае в нижней части трубы движется жидкая фаза, а в верхней — паровая фаза. При увеличении паросодержания потока граница раздела фаз приобретает волновой характер, и жидкость периодически достигает верхней части трубы. В дальнейшем по мере увеличения паросодержания потока и его скорости на поверхности трубы образуется движущаяся жидкая пленка, а внутри трубы — перемещающаяся парожидкостная эмульсия. При эмульсионной структуре полной осевой симметрии в потоке нет. При расслоенной структуре потока интенсивность теплообмена в верхней части трубы, где находится паровая фаза, невелика. Наиболее благоприятные условия теплообмена создаются при эмульсионной структуре потока.

При вынужденном движении кипящей воды в трубах коэффициент теплоотдачи а может быть подсчитан по следующим формулам:

где а_к — коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый по (9.47); a_w — коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме движения воды в трубах.

15 Основные понятия теплового излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности. Абсолютно черное и абсолютно белое тело. Виды лучистых потоков.

Разные тела по-разному поглощают, отражают или пропускают лу­чистый поток.

На рис. 3.1 показано распределение энергии при падении излучения на поверхность реального жидкого или твердого тела. Некоторая часть лучистого потока, равная Q_R, отражается. Другая часть потока Q_A поглощается телом и, наконец, остаток Q_D проходит сквозь тело.

Общий поток лучистой энергии складывается следующим образом

Q = Q_R + Q_A + Q_D (3.1) или Q_R /Q + Q_A/Q + Q_D/Q = R+A+D, (3.2)

где R = Q_R /Q — доля отражаемого телом лучистого потока, называе­мая отражательной способностью тела;

A = Q_A/Q — доля поглощаемого телом лучистого потока — поглощательной способностью тела;

D = Q_D/Q — доля пропускаемого телом через себя лучистого пото­ка — пропускательной способностью.

Значение этих коэффициентов зависит от природы тела, состояния его поверхности, температуры тела и спектрального характера или вида излучения.

Следует различать зеркальное отражение лучей от диффузного. Если при отражении поверхностью луч остается в одной плоскости, подчиняясь закону равенства углов падения и отражения, то такую поверхность называют зеркальной. Однако чаще всего поверхность тела является матовой и шероховатой и луч разлагается на множество лучей, диффузно отражающихся во многих направлениях.

Р ис. 3.1. Распределение энергии при падении излучения на поверхность тела

Тело, полностью отражающее все падающие на него лучи, называется белым; для него R =1 и А=0=D. Если поверхность тела диффузно отражает все падающие лучи и при том равномерно во всех направлениях, ее называют абсолютно белой.

Тело, полностью поглощающее лучистую энергию, называют абсолютно черным; для не­го А= 1 и R =0=D. Абсолютно черных и белых тел в природе не существует.

Тело, пропускающее через себя полностью все лучи без отражения и поглощения, назы­вают диатермичным; для него D =1 и А = 0 = R.

Суммарное количество энергии, излученной на всех длинах волн в единицу времени, называют полным или интегральным лучистым потоком Q. Монохроматическим или однородным (спект­ральным) лучистым потоком Qλ называют излучение в узком интерва­ле длин волн: от λ до λ + Δλ.

Интегральный лучистый поток, приходящийся на единицу поверхности, называют плотностью интегрального излучения Е = dQ/dF, Вт/м2

16 Основные законы излучения. Закон Планка, закон смещения Вина.

Закон смещения Вина — физический закон, устанавливающий зависимость длины волны, на которой спектральная плотность потока излучения чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

Формула Планка (закон Планка) — формула, описывающая спектральную плотность излучения, которое создаётся абсолютно чёрным телом определённой температуры. Формула была открыта Максом Планком в 1900 году и названа по его фамилии.

В 1900 г. М. Планк, разрабатывая квантовую теорию излучения, тео­ретически вывел следующий закон распределения энергии, излучаемой абсолютно черным телом, в зависимости от длин волн

Е_0λ= С₁λ^-5 · ( е ^С2/λТ - 1)^-1 ,Вт/м³, (3.10)

где Е_0λ —спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела, Вт/м³ или Вт/ (м²·мкм);

λ — длина волны, м;

Т— абсолютная температура тела, ⁰К;

е— основание натуральных логарифмов;

С₁ = 3,68 ·10^-16 Вт/м² и С₂ = 1,67 ·10^-2 м.

Графически закон Планка изображен на рис. 3.3. Из графика вид­но, что начиная от нуля интенсивность излучения быстро рас-

тет с увели­чением длины волны, достигая макси­мума при некотором ее значении, пос­ле чего убывает.

Максимальная интенсивность из­лучения при повышении температуры смещается в область коротких волн, что видно из закона Вина, выражаемого уравнением

λ_max T = 2,9 мм ·⁰К. (3.11)

Сравнение схем движения теплоносителей.

Выбор рабочей среды, направляемой по трубам или в межтрубное пространство, следует проводить с учетом протекающих процессов, параметров потоков, а также факторов конструктивного и гидродинамического характера.

Так, по условиям прочности поток высокого давления обычно направляют внутрь труб, что позволит уменьшить массу корпуса аппарата. При равенстве давлений теплоносителей целесообразно в межтрубное пространство подавать поток с более высокой температурой.

При выборе направления движения теплоносителей предпочтение отдают противотоку и перекрестному току, т.к. в этом случае удельная тепловая нагрузка получается выше, чем при прямотоке. Кроме того, при противотоке холодный теплоноситель может быть нагрет до более высокой температуры, чем при прямоточной схеме аппарата.

При кипении жидкости или конденсации пара хотя бы с одной стороны поверхности теплообмена все схемы движения принципиально равноценны.

При выборе продольной или поперечной схемы омывания трубок жидкостью надо стремиться к выравниванию коэффициентов теплоотдачи для обеих жидкостей. При этом следует иметь ввиду, что при отношении выгоднее продольное, а – поперечное омывание труб.

17 Закон излучения Стефана-Больцмана.

Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны.

Тело, которое не поглощало бы излучение и полностью отражало все падающие на него лучи, называют абсолютно белым телом.

Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называют абсолютно черным телом.

Излучение абсолютно черного тела зависит от его температуры.

,

Где – мощность излучения единицы поверхности, – постоянная Стефана-Больцмана равная

18 Излучение реальных тел. Степень черноты, серое излучение. Закон Стефана-Больцмана для реального (серого) излучения. Закон Кирхгофа.

Интегральная интенсивность излучения реального тела

– коэффициент излучения тела,

– степень черноты, или относительный коэффициент излучения поверхности тела,

Если , то тело называется абсолютно белым.

Степень черноты называют отношение плотности собственного излучения тела к плотности собственного излучения абсолютного черного тела при одной и той же температуре:

Где – коэффициент черноты или степень черноты, изменяется от 0 до 1, характеризует полное или интегральное излучение тела; для серого излучения, согласно определения, постоянное число.

– температура поверхности тела.

Закон Кирхгофа – отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности есть одинаковая для всех тел функция длины волны и температуры, равная испускательной способности абсолютно черного тела.

Для АЧТ:

19 Теплообмен излучением между параллельными поверхностями в прозрачной среде.

Пусть

Введем понятие эффективного излучения:

Результирующий лучистый тепловой поток;

Применяем закон Стефана-Больцмана:

20 Теплообмен излучением при наличии экранов.

П реположим, что экран изготовлен из того же материала и с той же чистотой обработки, что и излучающие поверхности, т.е.

В этом случае, значение будет одинаково для всех лучевых потоков

В установившемся режиме теплообмена температура экрана устанавливается какой-то средней между и , и постоянной во времени. При этом . Приравнивания получим:

Подставим

Получаем что наличие одного экрана той же степени черноты, что и излучающие поверхности, уменьшает результирующий учевой поток в 2 раза:

Для n экранов:

21 Теплообмен излучением между телом и оболочкой (одно тело внутри другого).

Р ассмотрим тело 1, находящееся в полости другого тела 2, иначе говоря, тело 2 является оболочкой тела 1.

Будем считать, что тело 1 имеет температуру выше температуры (

Отределим кол-во теплоты Q, которое тело 1 отдает телу 2. Это кол-во теплоты рано результирующему тепловому потоку , который можно определить как разность.

Где – эффективное излучение 1-го тела; – эффективное излучение 2-го тела; – средний угловой коэффициент излучения, он характеризует долю энергии, излучаемой телом 2, которое попадает на тело 1.

Значение среднего углового коэффициента излучения находящегося в пределах

Если , то это значит, что энергия излучения рассматриваемого тела не доходит до другого тела.

Если , то это значит, что все излучение генерируемое одним телом, полностью доходит до другого тела. Для рассмотренного случая , т.к. вся энергия, излучаемого тела полностью доходит до 2-го тела.

, ибо часть энергии, генерируемая телом 2, воспринимается телом 1, а часть попадает на само же тело 2.

Эффективные потоки и можно выразить по следующим формулам:

и – потоки энергии собственного излучения 1 и 2-го тела.

22 Особенности излучения газов.

Излучение чистых газов отличается от излучения твердых тел. Во-первых, поглощение и излучение лучистой энергии газами всегда имеет резко выраженный селективный (выборочный) характер: например, спектр поглощения углекислоты и водяного пара состоит из нескольких полос, в пределах которых эти газы испускают (и поглощают) электромагнитную энергию.

Второе отличие излучения газов от излучения твердых тел заключается в том, что у газов оно имеет объемный характер (у твердых тел излучение электромагнитной энергии осуществляется с поверхности), так как нужна чрезвычайно большая толщина газового слоя, чтобы излучаемая глубинными элементами энергия была бы всецело поглощена самим газом и совершенно не проникла бы в окружающую среду.

23 Смешанный теплообмен. Особенности расчетов.

Процесс переноса теплоты в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде, осуществляющийся вследствие движения среды и ее теплопроводности. Различают:

• Конвективный теплообмен при естественной (свободной) конвекции, когда движение среды обусловленной только действием силы тяжести на равномерно нагретую среду;

• Конвективный теплообмен при вынужденной конвекции, когда движение среды вызывается действием на нее механизмов.

Где – коэффициент конвективного теплообмена на поверхности стенки,

– температура воздуха, омывающего поверхность стенки,

– температура поверхности стенки,

24 Солнечная радиация и учет теплопритоков от нее.

Это испускаемый солнцем интегральный поток радиации, электромагнитное излучение. Диапазоны:

- инфракрасная радиация. Проходит через мозговые оболочки и воздействует на рецепторы мозга, проходит слои мозга.

- ультрафиолетовая радиация. Воздействует на весь организм и нервную систему.

25 Типы теплообменных аппаратов. Схемы движения теплоносителей.

• Нагревающие/охлаждающие рубашки, оснащенные мешалкой

• Трубчатые (кожухотрубные)

• Теплообменники типа <<труба в трубе>>

• Спиральные

• Пластинчатые

• Пластинчато-ребристые

• Блочные графитовые

• Воздушные охладители с ребристыми трубами

• Оросительные

• Башенные