Часть 2 Основы теплопередачи

на пограничный слой и перемешивание кипящего объема жидкости, интенсивность теплоотдачи заметно возрастает. Область ВС на рис. 1 соответствует режиму развитого пузырькового кипения – наиболее эффективному и надежному в работе теплообменных аппаратов, где этот процесс реализуется. В этой области ВС количество теплоты, подводимой к поверхности нагрева, целиком передается кипящей жидкости и расходуется на парообразование. При этом число действующих центров парообразования на единицу поверхности нагрева становится так велико, что появляется возможность их слияния в сплошную паровую пленку. Такой предельный перегрев ∆tкр возника-

ставляет 25°С. Образующаяся паровая пленка изолирует часть или всю теплоотдающую поверхность и препятствует отводу теплоты к жидкости, так как паровая пленка обладает низкой теплопроводностью λп=0,02 Вт/(м·К) по сравнению с более высокой теплопроводностью воды λж=0,68 Вт/(м·К). Развитое пузырьковое кипение сменяется переходным режимом СD и пленочным режимом DЕ (рис. 1). Интенсивность теплообмена сначала резко падает (участок СD), затем при весьма значительных ∆t снова повышается (участок DЕ), в этом случае поток теплоты, подводимый к кипящей жидкости, снова увеличивается, что объясняется переносом теплоты не только путем теплоотдачи, но и излучением при очень высоких значениях температуры стенки.

Рис. 2. Фазы роста и всплытия парового пузырька на активном центре парообразования

Переход пузырькового режима кипения в пленочный – явление кризиса теплоотдачи при кипении – может привести к опасным последствиям. В условиях, когда к стенке (например, парового котла) со

- 151 -

стороны топочного пространства подводится тепло, а отвод от нее через паровую пленку к кипящей жидкости ухудшается, температура стенки может так возрасти, что стенка разрушится, то есть произойдет разрушение поверхности нагрева (авария). Поэтому установление величины критической разности температур ∆tкр или критической плот-

при работе промышленных аппаратов. При кипении воды при атмосферном давлении qкр=1200000 Вт/м2.

Промышленные аппараты работают преимущественно в режиме пузырькового кипения, когда интенсивность теплоотдачи наибольшая. Зависимость коэффициента теплоотдачи α от плотности

где А и В - постоянные, зависящие от теплофизических свойств жидкости.

Теплоотдача при кипении жидкостей, как и многие другие процессы конвективного теплообмена, является сложным процессом, зависящим от большого числа различных факторов, таких как теплофизические свойства кипящей жидкости и пара, свойства поверхности нагрева (микрошероховатость, чистота и т.д.), температурный напор, то есть

Из анализа механизма пузырькового кипения Д.А. Лабунцов установил, что интенсивность теплоотдачи при кипении смачивающих жидкостей определяется главным образом интенсивностью пульсаций парожидкостной смеси в пограничном слое, вызываемых быстрорастущими паровыми пузырьками. На основе таких предпосылок при обработке аналитического описания процесса методами теории подобия получена зависимость

вид которой был установлен путем обобщения экспериментальных данных при кипении различных жидкостей:

Индекс ж в уравнении (5) означает, что значения физических параметров в числах подобия определяются при температуре жидкости, равной tнас и называемой в этом случае определяющей температурой.

Числа подобия, входящие в данное уравнение:

ческому радиусу парового пузыря Rкр. В случае кипения

где Ср – изобарная теплоемкость жидкости; r – теплота парообразования; -коэффициент поверхностного натяжения; и – плотности кипящей жидкости и сухого насыщенного пара соответственно; Тн – абсолютная температура жидкости, оК.

Численное значение интенсивности пульсаций жидкости в пограничном слое, обусловленной зарождением и ростом паровых пузырьков, оценивается некоторой величиной, имеющей размерность скорости, и называется условной скоростью парообразования:

Запись размерности w в такой форме позволяет вскрыть физический смысл этой условной характеристики: w – это объем пара (м3), снимаемый с единицы поверхности нагрева (м2) в единицу времени (с). Увеличение объема пара в (м3), снимаемого с единицы обогреваемой поверхности (м2) в единицу времени (с), приводит к росту числа Re и увеличению интенсивности пульсаций парожидкостной смеси в кипящей жидкости, что, в свою очередь, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи при кипении.

- 153 -

Описание экспериментальной установки и методики измерений

Установка представляет собой теплоизолированный сосуд (рис. 3) из нержавеющей стали, заполненный дистиллированной водой. Поверхностью нагрева служит обогреваемая электрическим током трубка из стали 12Х18Н10Т диаметром dтр = 5 мм и рабочей длиной Lтр =240 мм. Тепловой поток, отводимый от трубки, рассчитывает-

Вт. С помощью дифференциальной хромель-алюмелевой термопары, один спай которой находится в кипящей жидкости, а другой – на стенке трубки, измеряется разность температур t=tc–tнас. Через смотровые окна можно наблюдать за процессом. Для возврата образующегося пара над зеркалом испарения установлен конденсатор, охлаждаемый водой.

Проведение опытов

1.Электропитание при внешнем обогреве корпуса установки и интенсивность работы конденсатора устанавливаются преподавателем.

2.Нагревание воды до температуры насыщения осуществляется при начальной нагрузке I1 на трубке – нагревателе.

3.Чтобы исключить зашкаливание, милливольтметр 11 подключается тумблером по достижении температуры жидкости (воды)

80 оС.

4.На графике стационарности, как показано на рис. 4, наносить показания милливольтметра е (мВ) через каждые 2 мин. После наступления стационарного режима, о чем будет свидетельствовать неизменность показаний милливольтметра е в течение 6 мин, а следо-

вательно, и температурного напора t = tc–tн, занести показания всех приборов в таблицу опытных данных (табл. 2). Стационарный режим при нагрузках I2 и I3 наступает быстро, поэтому нужно лишь проконтролировать постоянство е t (рис. 4).

- 154 -

давлении для воды составляет 102оС. Теплофизические параметры воды, входящие в числа подобия при этой температуре, а также размер поверхности нагрева имеют следующие значения:

-площадь теплоотдающей поверхность Fтр=0,003768 м2;

-теплоемкость кипящей воды Ср=4,22 кДж/кг К;

-коэффициент поверхностного натяжения кипящей воды

= 58,86 10-6кН/м;

-плотность кипящей воды = 958,4 кг/м3;

-плотность пара = 0,598 кг/м3;

-теплота парообразования воды r = 2256,8 кДж/кг;

-коэффициент теплопроводности воды = 0,683 Вт/м К;

-коэффициент кинематической вязкости воды = 0,295 10-6м2/с. 2. Результаты расчетов занести в табл. 3.

- 157 -

принимая масштабы по осям одинаковыми и равными:

Провести через них наиболее вероятную прямую (рис. 5), уравнение которой имеет вид

- 158 -

Определить постоянную С, решив уравнение (11) для произвольной точки, например полученной в опыте 1. Сравнить полученные значения постоянных С и n с данными в уравнении (5), взятыми из справочника.

lgRe*

θ

lgNu *

Согласно третьей теореме подобия полученное уравнение подобия можно использовать при расчете коэффициента теплоотдачи при кипении различных жидкостей. Оно справедливо в области изменения определяющих чисел подобия, охваченных в эксперименте. В данном случае определяющими являются числа Рейнольдса и Прандтля.

4. Рассчитать систематическую погрешность измерения величин, по которым определяется коэффициент теплоотдачи .

- 159 -

Контрольные вопросы

1.Характеристика и механизм процесса теплоотдачи при кипении в большом объеме. Критический радиус паровых пузырьков.

2.Роль паровых пузырьков в процессе кипения и их влияние на интенсивность теплоотдачи.

3.Режимы кипения. Кризис кипения.

4.Уравнение подобия для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения.

5.Экспериментальная установка и сущность опыта по определению α при кипении в большом объеме.

6.Обобщение опытных данных, установление явного вида зависимости между числами подобия.

7.Область применения полученного уравнения подобия.

8.Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей. Методика расчета.

Литература

1.Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок: метод. указания /сост.: В.А. Аляев [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. 2000. –

64 с.

2.Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник / В.В. Нащокин. – М.: Высш. школа, 2008. – 496 с.

3.Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1981. – 416 с.

4.Практикум по теплопередаче / А.П. Солодов и [др.] – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 296 с.

- 160 -