Теоретические основы теплотехники - РУС

13.ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

13.1.Пленочная и капельная конденсация

Конденсация представляет собой процесс перехода пара или газа в жидкое (твердое) состояние. Процесс конденсации возможен только при докритическом состоянии пара или газа. Этот процесс может быть осуществлен либо сжатием, либо охлаждением пара. Он всегда связан с отводом теплоты.

Конденсация может происходить как в объеме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена.

На практике процесс конденсации встречается в:

1)конденсаторах паровых турбин;

2)теплообменниках холодильных установок;

3)пароводяных теплообменных аппаратах;

4)опреснителях, устройствах для перегонки жидкостей в химической промышленности и т.п.

Число факторов, влияющих на процесс передачи тепла при конденсации,

значительно больше, чем в случаях теплообмена без измерения агрегатного состояния. Так, например, при конденсации важное значение имеют физикохимические свойства поверхности тела, причем в сочетании с физикохимическими свойствами самой среды. Учет всех этих факторов является очень трудным, как в теоретическом, так и экспериментальном плане.

В энергетике, других областях техники чаще встречается конденсация пара на охлаждаемых поверхностях теплообмена. Конденсация пара на твердой поверхности теплообмена происходит в том случае, когда температура этой поверхности меньше температуры насыщения при данном давлении, т.е.

tст tн

На поверхности стенки при конденсации, образуется либо пленка, либо капли конденсатора, т.е. в данном случае мы имеем дело не только с теплообменом, но и массообменом.

Если жидкая конденсированная фаза образуется на поверхности в виде устойчивой пленки, то такая конденсация называется - пленочной, если в виде отдельных капель - капельной.

Пленочная конденсация имеет место в случае смачивания поверхности конденсатом, капельная - в случае не смачивания. Капельная конденсация - явление более предпочтительное. Для водяного пара, например, капельная конденсация может быть в том случае, если поверхность теплообмена покрыта каким-либо жиром, маслом, топливом.

Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации примерно на порядок выше, чем при пленочной. Однако для водяного пара капельная конденсация - неустойчивое явление, т.к. жировая или масляная пленка смывается. Для ртути, например, капельная конденсация является основным видом (в бинарных установках).

При капельной конденсации пар соприкасается непосредственно со стенкой, в то время как при пленочной образуется пленка конденсата является дополнительным термическим сопротивлением. Для организации капельной

81

конденсации на стенку наносят специальные вещества (Иногда их вводят в пар).

Коэффициенты теплоотдачи при капельной и пленочной конденсации

В практике в основном встречается пленочная конденсация.

13.2. Основы теплоотдачи при пленочной конденсации.

При пленочной конденсации все тепло, выделяющееся на внешней границе пленки, отводится к поверхности охлаждения.

На рис. 9.3 представлена схема пленочной конденсации на вертикальной стене при ламинарном движении пленки конденсата.

Впервые коэффициент теплоотдачи при таком режиме течения пленки теоретически был определен Нуссельтом в 1916г. При этом были выдвинуты следующие предложения:

1.Течение в пленке ламинарное;

2.Сила тяжести уравновешивается силой вязкости;

3.Температура поверхности пленки равна температуре насыщения пара;

4.Тепло передается только поперек пленки и только теплопроводностью;

5.Физические параметры конденсата постоянны по толщине пленки.

Рассмотрев силы, действующие на элементарный объем, тепло, передаваемое через этот объем, Нуссельт получил среднее значение для коэффициента теплоотдачи

x - высота стенки

4 x Изменение этих параметров показано на рис. 9.4.

4 1/x несколько утрировано (не в масштабе). Выражение справедливо также для вертикальных труб.

Эти решения являются приближенными, однако основные закономерности отражены правильно.

82

Уменьшение коэффициента теплоотдачи объясняется увеличением толщины пленки.

В конце 40х годов академик Капица П. Л. показал, что более устойчивым является волновое течение конденсатных пленок, которое одновременно несколько повышает коэффициент теплоотдачи. Поэтому для практических расчетов применяют следующую формулу

верт. = 1,14 4 g к 3кr/ к h(tн - tст) , где h - высота стенки,

высота трубы.

Для наклонных труб и стенок в расчетное значение коэффициента

теплоотдачи вводится поправка

= верт 4 lin

С увеличением температурного напора и высоты стены может возникнуть турбулентный режим течения пленки. Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении, естественно, возрастает. Существует ряд формул и для турбулентного движения (для водного пара-помограммы).

Для горизонтальных труб Нуссельтом получено соотношение

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

где d - диаметр трубы.

Приведенные формулы справедливы для случая конденсации чистого пара на чистой поверхности. При расчетах и проектировании необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на теплоотдачу.

При расчетах капельной конденсации водяного пара также пользуются помограммами (Михеев, Исаченко)

13.3.Факторы, влияющие на теплоотдачу при конденсации.

1.Перегрев пара.

Учитывается теплотой перегрева q п. В формулы вместо r подставляют r +

q п.

2. Шероховатость поверхности.

Шероховатость увеличивает толщину пленки и, соответственно, снижает теплоотдачу.

3.Примеси не конденсирующихся газов.

1% воздуха снижает теплоотдачу на 60%, 2% - на 70%. У пленки концентрация

воздуха максимальна, т.к. пар конденсируется. 4. Влияние скорости пара относительно пленки.

- теплоотдача возрастает, т.к. пленка становится тоньше.

- теплоотдача ухудшается, т.к. пленка утолщается. При дальнейшем увеличении скорости частицы конденсата уносятся вверх и теплоотдача снова может возрастать.

5. Компоновка поверхности.

а) теплоотдача на горизонтальных трубах выше, т.к. пленка

83

тоньше. Конденсат обычно стекает каплями или струйками. б) на вертикальных трубах рекомендуется устанавливать

конденсатоотводные колпачки в виде “зонтиков” с шагом 0,1м

в) пар лучше подавать на поверхность конденсации в виде струй, что способствует разрушению пленок конденсата.

13.4. Теплоотдача при пузырьковом и пленочном кипении жидкости.

Кипение - процесс образования пара во всем объеме жидкости.

Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости по отношению к температуре насыщения, т.е.

tж tн

Обычно процесс кипячения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер, что объясняется наличием в жидкости зародышей парообразования, каковыми являются твердые микрочастицы и небольшие газовые пузырьки, выделяющиеся при нагревании.

Градиент температуры у стенки весьма велик, хотя температура жидкости

на 0,4К превышает температуру насыщения.

Вособо чистых жидкостях при медленном их нагреве удается значительно перегревать жидкость по отношению к температуре насыщения. Кипение при этом носит взрывной характер в начале процесса и до тех пор, пока температура жидкости не снизится до температуры насыщения за счет отвода тепла с паром.

При кипении жидкости на поверхности нагрева в зависимости от величины

температурного напора могут существовать несколько режимов кипения.

t = tст - tн

1.При t 5К образующиеся пузырьки пара после отрыва от поверхности конденсируются. Теплоотдача определяется свободной конвекцией.

2.При увеличении температурного напора пузырьки пара уже достигают свободной поверхности жидкости. При отрыве пузырьков значительно увеличивается перемешивание в пограничном слое, что резко повышает интенсивность теплоотдачи. Кроме того, увеличивается количество самих пузырьков. Т.о. растет их тепловой поток, и коэффициент теплоотдачи.

Такой режим кипения называется пузырьковым.

3.При дальнейшем увеличении теплового напора отдельные пузырьки пара на поверхности сливаются в сплошной паровой слой. Образуются паровые полости.

Теплопроводность паровых полостей сравнительно невелика, конвекция в них незначительна, поэтому и тепловой поток и коэффициент теплоотдачи падают. Режим называется переходным.

84

4. Пленка пара обволакивает всю стенку. Тепло от стенки к жидкости передается за счет теплопроводности парового слоя и конвекции в нем. Коэффициент теплоотдачи практически не изменяется.

q = (tст - tн)

Плотность теплового потока можно повысить только путем увеличения температуры стенки. Режим называется пленочным. Однако существует опасность

В условиях фиксированного потока тепла переходы от пузырькового режима к пленочному и обратно носят кризисный характер. Переходный режим кипения стационарно существовать не может в таких условиях.

Если тепловой поток по каким-либо причинам превысит qкр1, то количество отводимого тепла кипящей жидкостью резко уменьшится. Это вызовет быстрый разогрев поверхности до такой температуры, чтобы разность tст - tн обеспечивала требуемый тепловой поток q >qкр1.

Произойдет “перескок” с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения. При этом резко повысится температура стенки.

Обратный переход к пузырьковому режиму возможен тоже только “перескоком”. Это произойдет тогда, когда паровая пленка разрушится в какойлибо области поверхности и жидкость достигнет поверхности. В этой области установится пузырьковый режим кипения, который повысит и приведет к переходу к пузырьковому режиму кипения на всей поверхности.

Вообще, применение режима кипения в зависимости от температурного напора при кипении - яркое проявление второго закона диалектики.

1.Пузырьковый режим кипения воды.

2. Пленочный режим кипения воды.

Если использовать физическую модель, аналогичную принятой в теории

пленочной конденсации пара, то для вертикальной стенки получим:

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

- при ламинарном движении Для горизонтальных труб

= 0,728 (g ж п3r*/ пd(tст - tн)) - где r*= r+0,5Ср(tст-tн) - при ламинарном движении

Срп - для пара.

Пузырьковый режим кипения часто используется в технике для отвода тепла от тепнапряженных деталей двигателей (камеры сгорания ЖРД), поршневых двигателей рекордных автомобилей и т.п.

85

14. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны , т.е.перенос энергии вне среды .

0.4 0.8мкм – световые волны, видимое излучение0,4 – ультрафиолетовые волны, ультрафиолетовое излучение0,8 800мкм – тепловые (инфракрасные волны).

Резкой границы по длинам волн не существует Природа тепловых и световых лучей одна и та же .Законы геометрической

оптики , установленные для световых лучей, справедливы и для тепловых . Тепловое излучение свойственно всем телам. Каждое из них излучает

энергию в окружающее пространство.

Часть лучистой энергии, поглощенная телом превращается в тепловую. Отраженная и прошедшая части лучистой энергии распределяются между окружающими телами.

Каждое тело непрерывно излучает и поглощает лучистую энергию. Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхности, газы – объемом. Различные тела пропускают излучения различных частот по-разному

QR + QД + QА =Q0 – падающее излучение

QД – прошедшая часть энергия.

A – поглощающая способность;

R – отражающая способность;

Д– пропускная способность тела (прозрачность).

1)А=1; R=0; Д=0 – абсолютно черное тело. Отверстие обладает его свойствами

2)А=0; R=1; Д=0 – абсолютно белое тело, если отражение диффузное.

86

3) А=0; R=1; Д=0 – Зеркальное тело, если отражение по законам геометрической

оптики

4) А=0; R=0; Д=1 – абсолютно прозрачное тело (диатермичное) Наиболее диатермичные одноатомные газы.

Всех этих тел в природе нет.

Практически считают A + R = 1

Если тела прозрачные для видимых лучей (кварц), то это еще не значит, что они прозрачны для тепловых.

Для поглощения и отражения значение имеет не цвет, а состояние поверхности.

Плотность потока излучения.

Плотность потока излучения – лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства.

Е – для всех длин волн от =0 до

Спектральная плотность измерения.

Превращение части внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн – эмиссия.

Поглощение электромагнитных волн телом – адсорбция.

14.1. Законы теплового излучения. Закон ПЛАНКА

Устанавливает закон распределения энергии излучения по длинам волн для

абсолютно черного телаE0 C1 5

C2

e 1

где С1=3,74*10-6 Вт*м2 С2=1,44*10-2 м*К

еслиEv dE , то v c dv

87

C2 (ekT 1)

С увеличением температуры максимум излучение смещается в сторону более коротких волн.

14.2. Закон ВИНА.

Т* max=2.9 [мм*К] - устанавливает соотношение между температурой и длинной волны максимума излучения.

14.3. Закон Стефана-Больцмана

Устанавливает зависимость плотности потока излучения от температуры

Для других тел при этой же температуре

T 4 E C* 100

Отношение E C - степень черноты тела.

C0

Всегда Е < 1

14.4. Закон Кирхгоффа.

88

При термодинамическом равновесии отношение излучающей способности к поглощающей не зависит от природы тела и равно энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре

отсюда следует, что поглощающая способность тела численно равна степени его черноты А=Е

Спектры излучения реальных тел лежат не выше спектра излучения абсолютно черного тела.

Если для любой длинны волны E E , то тело называют серым.

E0

14.5. Закон Ламберта.

Количество энергии, излучаемой элементом поверхности, пропорционально количеству энергии, излучаемой по нормали, умноженному на величину пространственного угла и направляющий косинус.

14.6. Экранирование

Применяется для защиты от излучения

89

Если взять 2 экрана, то поток уменьшится в 3 раза, для n экранов – в n+1

раз.

Общее выражение для теплового потока.

Если E=0.8; Eэ=0,1; n=1, то qэ 14!

q12

Для экранирования широко применяется алюминиевая фольга (альфоль).

14.7. Тепловое излучение газов

Газы как, и всякие тела, обладают способностью испускать и поглощать лучистую энергию, но эта способность для различных газов неодинакова.

Одно- и двухатомные газы для тепловых лучей практически прозрачны – (диатермичны).

Многоатомные газы обладают значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Для теплотехники особо важное значение имеет тепловое излучение углекислого газа и водяного пара – основных продуктов сгорания топлива.

14.8.Особенности теплового излучения газов.

1.Газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн (полосах), расположенных в различных частях спектра. Для лучей других длин волн, вне этих полос, газы прозрачны и их энергия излучения равна нулю.

2.В газах излучение и поглощение всегда протекает в объеме Результирующей перенос энергии определяется совместимым влиянием

обоих эффектов: поглощения и собственного испускания фотонов газовым объемом.

90