Теплообмен при кипении. Расчетные формулы

В настоящее время опубликовано большое количество формул для определения коэффициента теплоотдачи при развитом пузырь­ковом кипении в условиях естественной конвекции. Большинство опубликованных формул представляют собой эмпирические обоб­щенные зависимости, построенные на основе теории подобия. К ним относится, например, получившая широкое признание, фор­мула С. С. Кутателадзе.

Nu_исп=7,0*10^-4(Re_*·K_p)^0.7·Pr^0.35 (1.12)

Формула, обобщающая данные, использованные при построе­нии зависимости (1.12), и ряд других данных (в том числе значения α к кипящим фреонам, криогенным жидкостям, высокотемператур­ным органическим теплоносителям и др;), получена Н. Г. Стюшиным. Эта формула имеет вид

Nu_исп=С(Pe_*·K_t^0.63 ·K_σ^0.5)ⁿ (1.13)

Сопоставление опытных данных с формулой (1.13) показано на рис. 7.14 и 7.15, из которых видно, что для большинства представ­ленных на этих графиках жидкостей опытные данные значений α отклоняются от расчетной зависимости не более чем на ±20%. Из графиков следует, что при значениях комплекса

N≡Pe_*·K_t^0.63·K_σ^0.5≥10⁷, C=3.2·10^-5, n=0.75

При значении комплекса N=10⁷ для поверхностей теплообмена, не подвергавшихся специальной обработке, наблюдается пере­ход от режимов, в которых еще проявляется конвективный перенос массы и теплоты, к режимам, когда интенсивность теплообмена обусловлена исключительно процессом парообразования. Для бо­лее гладких поверхностей переходное значение N несколько выше, а для более шероховатых — ниже. Однако во всех случаях за пере­ходным значением N коэффициент С и показатель степени п име­ют приведенные выше значения.

При условии 10⁵<N<10⁷ С=0,101, а n=0,25. Как уже отмеча­лось при значениях комплекса N<10⁷ на механизм переноса теп­лоты, обусловленный процессом кипения, накладывается влияние механизма переноса естественной конвекцией в однофазной среде. В этой области наблюдается существенно меньшее влияние давле­ния, а сам процесс отличается меньшей устойчивостью, поэтому здесь наблюдается больший разброс точек опытных данных. Повы­шенный разброс в этой области можно объяснить и явлением гис­терезиса, так как не всегда авторы указывают, в каком направле­нии проводился эксперимент — в направлении повышения или понижения плотности теплового потока.

Рис. 1.3.1 Сопоставление опытных данных значений α при кипений в большом

объеме с обобщенной зависимостью (1.13).

Формула (1.13) построена на основе зависимости, предложенной А. А. Волошко:

Nu_исп=BPe_*^0.73·K_t^0.5 (1.14)

Зависимость (1.14) автор получил теоретическим путем, предпо­ложив, что тепловой поток отводится от теплоотдающей поверх­ности в форме теплоты испарения и в виде избыточной энтальпии перегретой жидкости, увлекаемой паровыми пузырями из пристен­ной области. При этом были использованы соотношения для рас­чета внутренних характеристик процесса парообразования.

Коэффициент В в формуле (1.14) автором не был определен. Экс­периментальные данные показывают, что его значение не остает­ся постоянным при переходе от одной жидкости (или группы жид­костей) к другой. Удовлетворительное согласование опытных и расчетных значении а для каждой жидкости в отдельности и несо­ответствие при переходе от одной группы жидкостей к другой сви­детельствуют о неполноте исходной модели.

Предполагай, что тепловой поток, подведенный к жидкости» расходуется не только на испарение и перегрев последней, но и на создание поверхности раздела фаз, Н. Г. Стюшин выразил коэффи­циент В в формуле (1.14) в виде функции от числа К_σ.

Число входящие в формулу (1.13), для каждой жидкости имеет примерно постоянное значение в широком интервале изменения давления. В табл. 1.1 приведены значения числа К_σ· 10^-7 для некоторых жидкостей при различных давле­ниях.Так как число К_σ для отдельных групп жидкостей является прак­тически постоянной величиной, то при обобщении опытных данных полученных при кипении таких жидкостей, эта переменная выпада­ет из числа аргументов.

Жидкость			К	• 10-7	Р/Ркр
0,0005	0,001	0,01	0,1	0,25	0,5	0.9
Вода	9,0	9,0	9,3	9,4	9,6	10,2	10,0
Метанол	7,0	7,05	7,15	7,05	6,9	6,9	6,8
Этанол	6,1	6,1	5,77	6,1	6,7	6,9	7,7
Бутанол	4,35	______	3,97	—	-	. —	. —
Метан	2,74	2,74 __	2,76	3,0	3,3	3,6	—
н-пропан	— '	2,6	2,8	2,8	2,9	-
н-гептан	—	2,1	2,1	2,1	2,35	2,5	-
н-пентан	—	-----	2,2	2,2	2,1	2,4	2, 26
Бензол	—	2,5	2,5	2,5	2,6	2,6	-
Азот	' —	-	1,88	2,02	—	' —	-
Четыреххлористый	-	-	1.68	-	-	—	-
углерод		-	6,16	6,44
Аммиак	—	. —	—	—	-
Фреон-12	—	1,37	1,64	1,76	1,89	.—'	-
Фреон-22	—	-	2,06	2,1	2,1	-	-
Фреон-113	1,44	1,4	1,37	_	—	_	-
Фреон-142	— -	---	1,98	2,07	2,1	. -	-

Таблица 1.1

Экспериментальная часть.