4. Конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества

В зависимости от фазового состояния флюида различают конвективный теплообмен в однофазной среде и конвективный теплообмен при фазовых превращениях, к которому относят теплообмен при конденсации (переход пара в жидкость) и теплообмен при кипении (переход жидкости в пар).

4.1. Теплоотдача при пленочной конденсации паров

4.1.1. Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации паров на вертикальной поверхности рассчитывают по формуле Нуссельта [2,3]:

, (4.1)

где м/с² – ускорение свободного падения; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; – коэффициент теплопроводности пленки конденсата, Вт/(м·К); – динамический коэффициент вязкости конденсата, Па·с; – плотность пленки, кг/м³; – температура насыщения при данном давлении; – температура стенки; H – высота вертикальной поверхности.

Определяющие параметры:

– температура насыщения при данном давлении;

– высота вертикальной пластины или высота трубы.

4.1.2. Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации на наклонной поверхности рассчитывают по формуле [2,3]:

, (4.2)

где – коэффициент теплоотдачи, рассчитываемый по формуле (4.1) для вертикальной поверхности; – угол между направлением силы тяжести и осью, направленной вдоль поверхности теплообмена.

4.1.3. Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации на горизонтальной трубе при ламинарном течении пленки конденсата рассчитывают по формуле Нуссельта [2,3]:

, (4.3)

где м/с² – ускорение свободного падения; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; – коэффициент теплопроводности пленки конденсата, Вт/(м·К); – динамический коэффициент вязкости конденсата, Па·с; – плотность пленки, кг/м³; – температура насыщения при данном давлении; – температура стенки; d_тр – наружный диаметр трубы, м.

Формула (4.3) справедлива для ламинарного режима течения пленки, который существует при выполнении условия:

, (4.4)

где – сила поверхностного натяжения пленки, Н/м; м/с² – ускорение свободного падения; – плотность пленки, кг/м³.

Определяющие параметры:

– температура насыщения при данном давлении;

– наружный диаметр трубы.

Формулы для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи, теплоотдачи при волновом и турбулентном течении пленки, а также толщины конденсатной пленки приведены в литературе 1-3, 5.

4.2. Теплоотдача при кипении жидкостей

4.2.1. Пузырьковое кипение в большом объеме

Для расчета теплоотдачи при кипении воды в большом объеме используют следующие формулы2,3, 8:

(4.5)

, (4.6)

где p_н – давление насыщения, бар; q – плотность теплового потока, Вт/м².

– перегрев жидкости в пограничном слое.

4.2.2.. Пленочное кипение в большом объеме

Используя аналогию процессов конденсации и пленочного кипения для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении можно использовать следующие формулы:

— кипение на вертикальной поверхности

; (4.7)

— кипение на горизонтальной трубе

, (4.8)

где и – плотность, коэффициент теплопроводности и динамический коэффициент вязкости пара; – плотность жидкости; r – скрытая теплота парообразования.

В качестве определяющей температуры в формулах (4.7) и (4.8) принята температура насыщения при данном давлении.