Теоретические основы теплотехники -УКР

13.ТЕПЛООБМІН ПРИ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕННЯХ

13.1.Плівкова і краплинна конденсація

Конденсація являє собою процес переходу чи пари газу в рідке (тверде) стан. Процес конденсації можливий тільки при докритичному стані чи пари газу. Цей процес може бути здійснений або стиском, або охолодженням пари. Він завжди зв'язаний з відводом теплоти.

Конденсація може відбуватися як в обсязі пари, так і на охолоджуваній поверхні теплообміну.

На практиці процес конденсації зустрічається в:

1)конденсаторах парових турбін;

2)теплообмінниках холодильних установок;

3)пароводяних теплообмінних апаратах;

4)опріснювачах, пристроях для перегонки рідин у хімічної промисловості і т.п.

Число факторів, що впливають на процес передачі тепла при конденсації, значно більше, ніж у випадках теплообміну без виміру агрегатного стану. Так, наприклад, при конденсації важливе значення мають хімічний^-фізико-хімічні властивості поверхні тіла, причому в сполученні з фізико-хімічними властивостями самого середовища. Облік усіх цих факторів є дуже важким, як у теоретичному, так і експериментальному плані.

В енергетику, інших областях техніки частіше зустрічається конденсація пари на охолоджуваних поверхнях теплообміну. Конденсація пари на твердій поверхні теплообміну відбувається в тому випадку, коли температура цієї поверхні менше температури насичення при даному тиску, тобто

tст tн

На поверхні стінки при конденсації, утвориться або плівка, або краплі конденсатора, тобто в даному випадку ми маємо справу не тільки з теплообміном, але і масообміном.

Якщо рідка конденсована фаза утвориться на поверхні у виді стійкої плівки, то така конденсація називається - плівкової, якщо у виді окремих крапель - краплинної.

Плівкова конденсація має місце у випадку змочування поверхні конденсатом, краплинна - у випадку не змочування. Краплинна конденсація - явище більш краще. Для водяної пари, наприклад, краплинна конденсація може бути в тому випадку, якщо поверхня теплообміну покрита яким-небудь жиром, олією, паливом.

Коефіцієнт тепловіддачі при краплинній конденсації приблизно на порядок вище, ніж при плівковій. Однак для водяної пари краплинна конденсація - хитливе явище, тому що жирова чи масляна плівка змивається. Для ртуті, наприклад, краплинна конденсація є основним видом (у бінарних установках).

При краплинній конденсації пар стикається безпосередньо зі стінкою, у той час як при плівковій утвориться плівка конденсату є додатковим термічним опором. Для організації краплинної конденсації на стінку наносять спеціальні речовини (Іноді їх вводять у пару).

Коефіцієнти тепловіддачі при краплинній і плівковій конденсації дуже великі.

У практиці в основному зустрічається плівкова конденсація.

13.2. Основи тепловіддачі при плівковій конденсації.

При плівковій конденсації все тепло, що виділяється на зовнішній границі плівки, приділяється до поверхні охолодження.

На мал. 9.3 представлена схема плівкової конденсації на вертикальній стіні при ламінарному русі плівки конденсату.

Уперше коефіцієнт тепловіддачі при такому режимі плину плівки теоретично був визначений Нуссельтом у 1916р. При цьому минулому висунуті наступні пропозиції:

1.Плин у плівці ламінарне;

2.Сила ваги врівноважується силою в'язкості;

3.Температура поверхні плівки дорівнює температурі насичення пари;

x - висота стінки4 x Зміна цих параметрів показане на мал.

9.4.

4 1/x трохи перебільшено (не в масштабі). Вираження справедливе також для вертикальних труб.

Ці рішення є наближеними, однак основні закономірності відбиті правильно.

Зменшення коефіцієнта тепловіддачі порозумівається збільшенням товщини плівки.

Наприкінці 40х років академік Капіца П. Л. показав, що більш стійким є хвильовий плин конденсатних плівок, що одночасно трохи підвищує коефіцієнт тепловіддачі. Тому для практичних розрахунків застосовують наступну формулу

верт. = 1,14 4 g до 3кr/ до h(tн - tст) , де h - висота стінки,

висота труби.

Для похилих труб і стінок у розрахункове значення коефіцієнта тепловіддачі

уводиться виправлення

= верт 4 lin

Зі збільшенням температурного напору і висоти стіни може виникнути турбулентний режим плину плівки. Коефіцієнт тепловіддачі при турбулентному русі, природно, зростає. Існує ряд формул і для турбулентного руху (для водяної пари-номограми).

Для горизонтальних труб Нуссельтом отримане співвідношення

гір. = 0,728 4 g до 3до r / до d (tн - tст) ,

де d - діаметр труби.

Приведені формули справедливі для випадку конденсації чистої пари на чистій поверхні. При розрахунках і проектуванні необхідно враховувати ряд факторів, що впливають на тепловіддачу.

При розрахунках краплинної конденсації водяної пари також користаються номограмами (Михєєв, Ісаченко)

13.3.Фактори, що впливають на тепловіддачу при конденсації.

1.Перегрів пари.

Враховується теплотою перегріву q п. У формули замість r підставляють r + q п. 2. Шорсткість поверхні.

Шорсткість збільшує товщину плівки і, відповідно, знижує тепловіддачу.

3.Домішки не конденсуються газів.

1% повітря знижує тепловіддачу на 60%, 2% - на 70%. У плівки концентрація повітря

максимальна, тому що пара конденсується. 4. Вплив швидкості пари щодо плівки.

(( - тепловіддача зростає, тому що плівка стає тонше.

(( - тепловіддача погіршується, тому що плівка товщає. При подальшому збільшенні швидкості частки конденсату несуться нагору і тепловіддача знову може зростати.

5. Компонування поверхні.

а) тепловіддача на горизонтальних трубах вище, тому що плівка тонше. Конденсат звичайно стікає чи краплями струмками. б) на вертикальних трубах рекомендується встановлювати конденсатоотвідні ковпачки у виді “парасольок” із кроком 0,1м в) пара краще подавати на поверхню конденсації у виді

струменів, що сприяє руйнуванню плівок конденсату.

13.4. Тепловіддача при бульбочковому і плівковому кипінні рідини.

Кипіння - процес утворення пари у всьому обсязі рідини.

Для виникнення кипіння завжди необхідний деякий перегрів рідини стосовно температури насичення, тобто

tж tн

Звичайно процес кип'ятіння починається майже відразу після досягнення рідиною температури насичення. При цьому кипіння носить спокійний характер, що порозумівається наявністю в рідині зародків паротворення, якимись є тверді мікрочастинки і невеликі газові

В особливо чистих рідинах при повільному їхньому нагріванні вдається значно перегрівати рідина стосовно температури насичення. Кипіння при цьому носить вибуховий характер на початку процесу і доти, поки температура рідини не знизиться до температури насичення за рахунок відводу тепла з пором.

При кипінні рідини на поверхні нагрівання в залежності від величини температурного напору можуть існувати кілька режимів кипіння. t = tст - tн

1.При t 5До пухирці пари, що утворяться, після відриву від поверхні конденсуються. Тепловіддача визначається вільною конвекцією.

2.При збільшенні температурного напору пухирці пари вже досягають вільної поверхні рідини. При відриві пухирців значно збільшується перемішування в прикордонному шарі, що різко підвищує інтенсивність тепловіддачі. Крім того, збільшується кількість самих пухирців. Т.о. росте їхній тепловий потік, і коефіцієнт тепловіддачі.

Такий режим кипіння називається бульбочковим.

3. При подальшому збільшенні теплового напору окремі пухирці пари на поверхні зливаються в суцільний паровий шар. Утворяться парові порожнини.

Теплопровідність парових порожнин порівняно невелика, конвекція в них незначна, тому і тепловий потік і коефіцієнт тепловіддачі падають. Режим називається перехідним.

4. Плівка пари обволікає всю стінку. Тепло від стінки до рідини передається за рахунок теплопровідності парового шару і конвекції в ньому. Коефіцієнт тепловіддачі практично не змінюється.

q = (tст - tн)

Щільність теплового потоку можна підвищити тільки шляхом збільшення температури стінки. Режим називається плівковим. Однак існує небезпека перевитрати

кр1 = 58 103 Ут/м2ДО В умовах фіксованого потоку тепла переходи від бульбочкового режиму до

плівкового і назад носять кризовий характер. Перехідний режим кипіння стаціонарно існувати не може в таких умовах.

Якщо тепловий потік за якимись причинами перевищить qкр1, то кількість тепла, що відводиться, киплячою рідиною різко зменшиться. Це викликає швидкий розігрів поверхні до такої температури, щоб різниця tст - tн забезпечувала необхідний тепловий потік q >qкр1.

Відбудеться “перескок” із кривої бульбочкового кипіння на лінію плівкового кипіння. При цьому різко підвищиться температура стінки.

Зворотний перехід до бульбочковому режиму можливий теж тільки “перескоком”. Це відбудеться тоді, коли парова плівка зруйнується в якій-небудь області поверхні і рідина досягне поверхні. У цій області установиться бульбочковий режим кипіння, що підвищить і приведе до переходу до бульбочковому режиму кипіння на всій поверхні.

Узагалі, застосування режиму кипіння в залежності від температурного напору при кипінні - яскравий прояв другого закону діалектики.

1.Бульбочковий режим кипіння води.

2. Плівковий режим кипіння води.

Якщо використовувати фізичну модель, аналогічну прийнятий у теорії плівкової конденсації пари, то для вертикальної стінки одержимо:

= 0,943 (g ж п3r*/ пh(tст - tн)) - при ж >> п

- при ламінарному русі Для горизонтальних труб

= 0,728 (g ж п3r*/ пd(tст - tн)) - де r*= r+0,5Ср(tст-tн) - при ламінарному русі

Срп - для пари.

бульбочковый режим кипіння часто використовується в техніку для відводу тепла від тепнапружених деталей двигунів (камери згоряння РРД), поршневих двигунів рекордних автомобілів і т.п.

14. ТЕПЛООБМІН ВИПРОМІНЮВАННЯМ

Носіями променистої енергії є електромагнітні хвилі , тобтоперенос енергії поза середовищем .

((0.4(0.8мкм – світлові хвилі, видиме випромінювання ((0,4 – ультрафіолетові хвилі, ультрафіолетове випромінювання ((0,8(800мкм – теплові (інфрачервоні хвилі).

Різкої границі по довжинах хвиль не існує Природа теплових і світлових променів та сама .Закони геометричної оптики ,

установлені для світлових променів, справедливі і для теплових .

Теплове випромінювання властиве всім тілам. Кожне з них випромінює енергію в навколишнє простір.

Частина променистої енергії, поглинена тілом перетворюється в теплову. Відбита і минула частини променистої енергії розподіляються між навколишніми тілами.

Кожне тіло безупинне випромінює і поглинає променисту енергію. Тверді тіла випромінюють і поглинають енергію поверхні, гази – обсягом. Різні тіла пропускають випромінювання різних частот по-різному

QR + QД + QА =Q0 – падаюче випромінювання

A – поглинаюча здатність;

R – здатність, що відбиває;

Д– пропускна здатність тіла (прозорість).

1)А=1; R=0; Д=0 – абсолютно чорне тіло. Отвір володіє його властивостями

2)А=0; R=1; Д=0 – абсолютно біле тіло, якщо відображення дифузійне.

3)А=0; R=1; Д=0 – Дзеркальне тіло, якщо відображення за законами геометричної

оптики

4) А=0; R=0; Д=1 – абсолютно прозоре тіло (діатермічне) Найбільш діатермічні одноатомні гази.

Усіх цих тіл у природі немає.

Практично вважають A + R = 1

Якщо тіла прозорі для видимих променів (кварц), то це ще не виходить, що вони прозорі для теплових.

Для поглинання і відображення значення має не колір, а стан поверхні.

Щільність потоку випромінювання.

Щільність потоку випромінювання – променистий потік, випромінюваний з одиниці поверхні в усіх напрямках напівсферичного простору.

Е – для всіх довжин хвиль від =0 до

Спектральна щільність виміру.

Перетворення частини внутрішньої енергії тіла в енергію електромагнітних хвиль –

емісія.

Поглинання електромагнітних хвиль тілом – адсорбція.

14.1. Закони теплового випромінювання. Закон ПЛАНКА

Установлює закон розподілу енергії випромінювання по довжинах хвиль для

абсолютно чорного тілаE0 C1 5

C2

e 1

де З1=3,74*10-6 Ут*м2 З2=1,44*10-2 м*ДО якщоEv dE , то v c

Зі збільшенням температури максимум випромінювання зміщається убік більш коротких хвиль.

14.2. Закон ВІНА.

Т* max=2.9 [мм*ДО] - установлює співвідношення між температурою і довгою хвилею максимуму випромінювання.

14.3. Закон Стефана-Больцмана

Установлює залежність щільності потоку випромінювання від температури

Для інших тіл при цій же температурі

T 4 E C* 100

Відношення E C - ступінь чорності тіла.

C0

Завжди Е < 1

14.4. Закон Кірхгоффа.

При термодинамічній рівновазі відношення випромінюючої здатності до поглинаючого не залежить від природи тіла і дорівнює енергії випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі

звідси випливає, що поглинаюча здатність тіла чисельно дорівнює ступеня його чорності А=Е

Спектри випромінювання реальних тіл лежать не вище спектра випромінювання абсолютно чорного тіла.

Якщо для кожної довгі хвилі E E , то тіло називають сірим.

E0

14.5. Закон Ламберта.

Кількість енергії, випромінюваної елементом поверхні, пропорційно кількості енергії, випромінюваної по нормалі, помноженому на величину просторового кута і направляючий косинус.

14.6. Екранування

Застосовується для захисту від випромінювання

Якщо взяти 2 екрани, то потік зменшиться в 3 рази, для n екранів – у n+1 раз. Загальне вираження для теплового потоку.

Якщо E=0.8; Eэ=0,1; n=1, то qэ 14!

q12

Для екранування широко застосовується алюмінієва фольга (альфоль).

14.7. Теплове випромінювання газів

Гази як, і всякі тіла, мають здатність випускати і поглинати променисту енергію, але ця здатність для різних газів неоднакова.

Одне- і двохатомні гази для теплових променів практично прозорі – (діатермічні).

Багатоатомні гази мають значну здатність випромінювати і поглинати променисту енергію. Для теплотехніки особливо важливе значення має теплове випромінювання вуглекислого газу і водяної пари – основних продуктів згоряння палива.

14.8.Особливості теплового випромінювання газів.

1.Гази випромінюють і поглинають енергію лише у визначених інтервалах довжин хвиль (смугах), розташованих у різних частинах спектра. Для променів інших довжин хвиль, поза цими смугами, гази прозорі і їхня енергія випромінювання дорівнює нулю.

2.У газах випромінювання і поглинання завжди протікає в обсязі

Результуючої перенос енергії визначається сумісним впливом обох ефектів: поглинання і власного випущення фотонів газовим обсягом.

15. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Теплопередача – передача теплоти від одного рухливого середовища ( чирідини газу) до іншої через поділяючу їхню тверду стінку (будь-якої форми).

У загальному випадку кількісною характеристикою процесу переносу тепла є коефіцієнт теплопередачі, що визначає кількість тепла, переданого від однієї рідини до іншої через одиницю поверхні при різниці температур між рідинами в один градус.

Q kF(tЖ1 tЖ2 )

Різниця tЖ1 – tЖ2 називається температурним напором.

Складний теплообмін.

Сполучення різних видів теплообміну може дуже різноманітним, їхньої вагарні внесок у загальному процесі теплообміну – різним.

При складному теплообміні користаються сумарним коефіцієнтом тепловіддачі.

системи Теплопередача включає в собі тепловіддачу від більш гарячої рідини до стінки,

теплопровідність у стінці, тепловіддачу від стінки до більш холодного рухливого середовища.

Задані: ; tЖ1; tЖ2; 1; 2.

При стаціонарному режимі тепловий потік, що проходить через плоску стінку складе

q 2 t2 tЖ2