2.7 Теплообмен при изменении агрегатного состояния

2.7.1 Теплообмен при кипении

Для воды при кипении под атмосферным давлением наблюдается два критических режима. Первый – начало перехода от пузырькового к пленочному режиму кипения. Параметры этого режима t_кр1=25С;_кр1=46500 Вт/(м²К);q_кр1=1,1610⁶Вт/м².

Второй – конец перехода к пленочному кипению. Параметры этого режима t_кр2=150К;_кр2_кр1;q_кр2 q_кр1.

При пузырьковом кипении жидкости в большом объеме коэффициент теплообмена рассчитывают по формуле

При Rе_a10^-2

Nu_к=0,125Re^0,125Pr^1/3. (2.36)

При Rе_a10^-2

Nu_к=0,0625Re^0,5Pr^0,33, (2.37)

где ;;,

где v– кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

r– теплота парообразования, кДж/кг;

c_p– удельная массовая теплоемкость жидкости, кДж/(кгК);

a– температуропроводность, м²/с;

 – теплопроводность жидкости, Вт/(мК);

 – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, при температуре насыщения t_н;

’ и ” – плотности жидкости и пара при температуре насыщения,t_н;

T_н– температура насыщения, К;

l_к– определяющий размер, м.

Формулы (2.36) и (2.37) можно применить при 0,86Pr_к7,6; 10^-5Re_к10⁴ и давлении 0,045175 бар.

q– поверхностная плотность теплового потока при кипении, Вт/м².

Если число Нуссельта Nu_кявляется функцией температурного напора при пузырьковом кипении в большом объеме при 0,86Pr7,5; 10^-5Re_к10⁴, давлении 0,045175 бар и 0,05200 можно применить формулы:

при 1,6

Nu_к=2,6310^-3; (2.38)

при 1,6

Nu_к=3,9110^-3; (2.39)

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах, когда она нагрета до температуры насыщения, коэффициент теплообмена рассчитывают по следующим формулам:

при _к/_w0,5=_w; (2.40)

при _к/_w2=_к; (2.41)

при 0,5_к/_w2,(2.42)

где - коэффициент теплообмена при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах, Вт/(м²К);

_к– коэффициент теплообмена при развитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый формулами (2.36), (2.37), (2.38) и (2.39);

_w– коэффициент теплообмена при турбулентном движении однофазной жидкости в трубах, определяемым по формуле

.

Формулы (2.40), (2.41) и (2.42) справедливы для воды при давлении от 110⁵до 8610⁵Па, скоростях движения теплоносителя от 0,2 до 6,7 м/с и объемном паросодержании до 70%.

Коэффициент теплоотдачи для хладонов в трубах определяют по формулам:

; (2.43)

. (2.44)

Значение функции f(p)приведено в таблице (2.5)

Коэффициент теплоотдачи при кипении аммиака в трубах определяют по формулам

=(27,3+0,04t_н)q^0,45d^-0,24; (2.45)

=(27,3+0,04t_н)^1,818t^0,818d^0.436(2.46)

Формулы (2.45) и (2.46) справедливы при t_н=-30…0С иq=1000…14000 Вт/м².

Таблица 2.5 Значение функции f(p)

Т, К	f(p)10-2, Дж0,4/кг0,2м0,2с0,2К
	R11	R12	R22	R113	R142
243	0,57	1,46	1,64	-	1,0
263	0,82	1,80	2,02	-	1,26
283	1,04	2,12	2,54	0,69	1,55
303	1,36	2,54	3,01	0,88	1,94

Коэффициент теплоотдачи в трубах с накатными ребрами (высота ребер 1,5…2 мм, шаг 0,8…2 мм) определяют по формуле

=_эт_пр, (2.47)

где _пр– поправка, учитывающая влияние на теплообмен числапрядов труб по высоте пучка;

_эт– средний коэффициент теплоотдачи эталонного (шестирядного) пучка.

При q=0,5…9 кВт/м²иt_o=-30…+20Cдля шестирядного пучка

_эт=335t(_н10^-5)^0,5; дляR12 (2.48)

_эт=568t^0,82(_н10^-5)^0,45; дляR22 (2.49)

где _н– давление насыщения, Па.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении на поверхности применяются формулы

=с^3,125t^2,088(10^-5)^2,282; (2.50)

=сq^0,68(10^-5)^0,73; (2.51)

, (2.52)

где . Здесьс_р– удельная массовая теплоемкость хладона, кДж/(кгК);d– диаметр цилиндра, м. Значения коэффициента с приведены в таблице 2.4, функцииf(p)в таблице 2.5.

Таблица 2.4 Значения коэффициента св уравнении (2.50)

Холодильный агент	tн,С
	-40	-30	-20	-10	0
R12	-	8,1	6,7	5,7	5,0
R22	8,6	7,2	5,9	5,1	4,7

Пример 2.13Определить поверхностную плотность теплового потока поверхности нагрева паронагревателя при пузырьковом кипении воды в большом объеме, если вода находится под давлением 0,62 МПа, а температура поверхности нагреваt_c=175C.

Решение.По приложению А таблица А4 при давлениир=0,62 МПа находимt_н=160С,Pr_ж=1,1,_ж=0,683 Вт/(мК),r=2082,6 кДж/кг,_ж=0,19110^-6м²/с,”=3,25 кг/м³

и , то число Нуссельта определяем по формуле (2.38)

.

Коэффициент теплоотдачи Вт/(м²К).

м.

Поверхностная плотность теплового потока

q=t=5280015=790000 Вт/м².

Пример 2.14Вода под давлениемр=810⁵Па движется в трубе с внутренним диаметромd_вн=18 мм со скоростьюw=1 м/с.

Определить коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде, если температура внутренней поверхности трубы 173С.

Решение.Определяем теплофизические параметры воды по приложению А таблица А5 прир=810⁵Па иt_н=170,4С;_ж=0,18110^-6м²/с,_ж=67,910^-2Вт/(мк),Pr_ж=1,05.

При t_с=173С,Pr_с=1,04.

Коэффициент теплоотдачи _wпри давлении однофазной жидкости

,

где Nu_ж=0,21.

Число

Тогда Nu_ж=0,21(99447)^0,8(1,05)^0,43.

Следовательно Вт/(м²К)

Определяем значение коэффициента теплоотдачи _кпри пузырьковом кипении в большом объеме.

При t_н=170,4С

и расчет ведем по формуле (2.39)

;

Вт/(м²К)

Определяем отношение коэффициентов _к/_w:

Так как _к/_w0,5 то=_w=8040 Вт/(м²К).

Пример 2.15ХладагентR12 кипит в горизонтальных трубах, внутренний, диаметр которых 16 мм. Массовый расход хладагентаm_t=85 кг/ч. Температура насыщения – (-30С). Определить температурный напор, при котором поверхностная плотность теплового потокаq=4650 Вт/м².

Решение.Согласно закону Ньютона-Рихмана

q=(t_ж-t_c)=t.

Тогда ;

Значение коэффициента теплообмена можно определить по уравнению (2.43)

Вт/(м²К).

С

Значение f(p)выбираем из таблицы 2.3 по температуре насыщения дляR12.

Пример 2.16.В горизонтальном кожухотрубном испарителе холодильной машиныR22 кипит в стекающей по наружной поверхности труб пленке. Температура кипенияt_н=-18С.

Определить коэффициент теплообмена и поверхностную плотность теплового потока.

Решение.При заданной температуре насыщенияt_н=-20С по приложению А таблица А10 находим давление насыщения р_н=2,461410²кПа.

Коэффициент теплоотдачи по уравнению (2.50)

=с^3,125t^2,088(10^-5)^2,282;

Значение коэффициента сдля данной температурыt_н=-20С выбираем из таблицы 2.4 дляR22c=5,9.

Таким образом

=5,9^3,1252^2,0882,46^2,282=8503 Вт/(м²К)

Поверхностная плотность теплового потока

q=(t_ж-t_c)=8503(-18-(-20))=17006 Вт/м².