Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества

Теплопередача при кипении.В процессе кипения жидкость обычно сохраняет постоянную температуру, равную температуре насыщения t_н. Поверхность, к которой подводится тепловой поток, перегрета сверх t_н на Δt. При малых значениях Δt теплота переносится в основном путем естественной конвекции, коэффициенты теплоотдачи можно рассчитывать по формуле

При увеличении перегрева поверхности на ней образуется все большее число паровых пузырей, которые при отрыве и подъеме интенсивно перемешивают жидкость. Вначале это приводит к резкому увеличению коэффициента теплоотдачи (пузырьковый режим кипения), но затем парообразование у поверхности становится интенсивным, что жидкость отделяется от греющей поверхности почти сплошной прослойкой (пленкой) пара. Наступает пленочный режим кипения. Естественно, что пленка пара неустойчива и непрерывно разрушается, но тут же восстанавливается за счет новых порций образующего пара. Пар, как и любое газообразное вещество, плохо проводит теплоту, и даже тонкая пленка, имея большое термическое сопротивление, ухудшает теплообмен – наступает кризис теплообмена при кипении.

В большинстве технических устройств (паровых котлах, ядерных реакторах, электронагревателях) стараются не приближаться к критической плотности теплового потока q_кр.

Коэффициенты теплоотдачи при кипении воды рассчитывают очень редко, так как они настолько велики, что обычно без большой погрешности температуру теплоотдающей поверхности t_c можно считать равной t_ж.

Приведем для примера лишь одну зависимость для пузырькового кипения воды в большом объеме при 0,1 ≤ p ≤ 3 МПа:

α = 0.38q^2/3р^1/5.

Теплоотдача при конденсации. Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения (t_c < t_н). Различают капельную конденсацию, когда образовавшаяся жидкость (конденсат) не смачивает поверхность и скатывается в виде отдельных капель, например, ртуть на стальной стенке, и пленочную конденсацию, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную пленку (рис. 10.4). Пленочная конденсация встречается значительно чаще.

Аналитическое решение для расчета локального коэффициента теплоотдачи при ламинарном течении пленки (Re = ωδ/v <400), получено В. Нуссельтом в 1916 г., имеет вид:

где r – теплота парообразования.

Из формулы (10.14) видно, что интенсивность теплоотдачи убывает по мере стекания конденсата из-за возрастания толщины его пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой Н:

В безразмерной форме и с учетом экспериментальных поправок расчетное уравнение имеет вид:

Re = 0,95Z^0,78ε_t;

где

Теплофизические параметры конденсата в формулы следует подставлять при температуре насыщения t_н,а λ_с и µ_с при температуре стенки.

В промышленных теплообменниках конденсация обычно происходит на поверхности пучков труб. Коэффициент теплоотдачи от пучка труб ниже, чем от одиночной трубы, поскольку толщина пленки конденсата на нижних трубах увеличивается за счет стекания его с верхних труб. Формулы и график для расчета поправок можно найти в справочниках.

Присутствие в паре неконденсирующихся газов (например, воздуха) сильно снижает значение коэффициента теплоотдачи из-за того, что пар, подходя к поверхности, на которой идет конденсация, увлекает вместе с собой и неконденсирующиеся газы. При конденсации происходит как бы сортировка перемещенных молекул пара и газа – первые захватываются пленкой конденсата, а вторые остаются в газовой фазе, накапливаются и вынуждены двигаться назад от поверхности раздела фаз.Этот встречный поток затрудняет доступ новым молекулам ара к пленке конденсата, т.е. замедляет процесс конденсации. Влияние неконденсирующихся газов на теплоотдачу при конденсации уменьшается в случае, когда поверхность обдувается потоком пара со скоростью ω_п, поскольку при этом молекулы газа сносятся набегающим потоком и не успевают накапливаться около пленки конденсата.

Лекция № 11

Тема « Теплообмен излучением» (2 часа)

1 ПЛАН

1. Описание процесса и основные определения.

2. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде.

3. Использование экранов для защиты от излучения.

4. Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде.

2. ЛИТЕРАТУРА

2.1. Основная литература

1. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника. - М.: Энергоатомиздат, 2006. – 432 с.

2.2. Дополнительная литература

1. Теплотехника. /А.П. Баскаков, Б.В. Берг и др. – М.: Энергатомиздат, 1991. – 224 с.

2. Техническая термодинамика. / Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 496 с.