Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Основы расчета теплообмена при кипении однокомпонентной жидкости.




ЛЕКЦИЯ 14. Теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА И РЕЖИМЫ КИПЕНИЯ Процесс кипения чистой жидкости возможен в диапазоне от тройной точки до критического состояния. При кипении происходит поглощение теплоты фазового перехода, т.е. процесс кипения, как и процесс конденсации, неразрывно связан с процессом теплообмена. Различают кипение на твердой поверхности, к которой извне подводится тепло- та, и кипение в объеме жидкости. В последнем случае паровая фаза возникает спон- танно по всему объему жидкости. Такой процесс происходит при значительном пе- регреве жидкости относительно температуры насыщения, что чаще всего имеет ме- сто при резком сбросе давления. Этот случай редко встречается на практике и по- этому далее не рассматривается. При кипении жидкости у твердой поверхности необходимо наличие двух усло- вий: перегрев жидкости у поверхности и наличие центров парообразования. Ими могут быть различные неровности поверхности, которые облегчают появление па- ровых пузырьков. Процесс кипения, при котором на поверхности пар образуется в виде отдельных пузырьков, которые растут во времени и периодически отрываются от поверхности, называется пузырьковым режимом кипения. По мере роста числа пузырьков пара отдельные пузырьки могут сливаться, создавая у поверхности паро- вую пленку, которая периодически отрывается от поверхности. Такой режим кипе- ния называют пленочным. При пузырьковом режиме кипения основной поток теплоты от стенки отводит- ся жидкой фазой, поскольку ее теплопроводность существенно выше, чем паровой фазы. Поэтому, как и в случае конвекции однофазной жидкости, основным термиче- ским сопротивлением является сопротивление пограничного слоя жидкости. Однако периодическое возникновение, рост и отрыв пузырьков пара приводит к существен- ной турбулизации пограничного слоя, что, в свою очередь, приводит к значительно- му увеличению теплоотдачи. МИНИМАЛЬНЫЙ РАДИУС ПАРОВОГО ПУЗЫРЬКА Для возникновения и существования в окружении жидкости парового пузырька необходимо, чтобы суммарное давление в нем было не меньше сил, которые дейст- вуют на него. В момент возникновения пузырька на него действуют две силы: дав- ление жидкости и поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз. Условие равновесия этих сил определяется уравнением Лапласа ∆ P=P1-P=2σ /Rk, где Rk – ми- нимальный или критичный радиус пузырька. Как говорилось выше, образование пузырька возможно только в том случае, ес- ли жидкость у поверхности перегрета относительно температуры насыщения, т.е. существует разница температур ∆ T=Tж-Tн. Тогда разница давления, обусловленная этой разницей температур ∆ P=P'∆ T. Если учесть зависимость давления от кривизны поверхности пузырька газа, получается ∆ P=P'∆ T (ρ '-ρ '')/ρ '. Производная от давления по температуре на кривой насыщения определяется по уравнению Клайперона – Клаузиса P'=rρ ''ρ '/(Tн(ρ '-ρ '')). Из ∆ P= 2σ /Rk с учетом ∆ P=P'∆ T (ρ '-ρ '')/ρ ' и P'=rρ ''ρ '/(Tн(ρ '-ρ '')) находится критичный радиус парового пузырька Rk=2σ Tн/(rρ ''(Tж-Tн))

Это соотношение аналогично уравнению Томпсона для процесса капельной конденсации, но в знаменателе стоит плотность паровой фазы. При R

ОТРЫВНОЙ ДИАМЕТР ПАРОВОГО ПУЗЫРЬКА Паровой пузырек, зародившийся на поверхности, растет до некоторого диамет- ра d0, при котором он отрывается от поверхности. В статических условиях и в пред- положении сферичности поверхности пузырька этот диаметр определяется из усло- вия механичного равновесия между подъемной силой g (ρ '-ρ '')V, которая питается оторвать пузырек от поверхности, и силой поверхностного натяжения σ F, удержи- вающей ее на поверхности. Объем V и площадь поверхности парового пузырька пропорциональны кубу и квадрату характерного размера δ соответственно. Тогда из условия равновесия сил δ ={σ /[g (ρ '-ρ '')]}1/2. Эта величина называется «капиллярная постоянная». Она зависит от рода жидкости и давления. Если под отрывным диаметром пузырька понимать ее эквивалентный диаметр, то на основании выражения для капиллярной постоянной можно получить d0=0, 0208θ δ ={σ /[g (ρ '-ρ '')]}1/2, где θ – краевой угол смачивания в угловых градусах. Величина отрывного диаметра прямо пропорциональна краевому углу смачивания. С увеличением этого угла смачиваемость поверхности жидкостью ухудшается, и паровой пузырек при отрыве преобретает большие размеры. Для жидкости, не сма- чивающей поверхность, θ ≥ 90°, это приводит к резкому увеличениюплощади по- верхности стенки, занятой основаниями растущих пузырьков пара и, соответствен- но, к уменьшению теплоотдачи. При движении жидкости у парогенерирующей поверхности на условия отрыва пузырька пара дополнительно влияет динамичный напор потока. После отрыва от поверхности паровой пузырек движется через жидкость (всплывает).Если температура жидкости меньше температуры насыщения пара в объеме пузырька, то происходит конденсация пара на поверхностипузырька и уменьшения его размеров вплоть до полной конденсации (захлопывания пузырька). При температуре жидкости выше температуры насыщения по мере движения пу- зырька происходит испарение жидкости в объем пузырька и увеличение его разме- ра. Опыты показывают, что интенсивность теплообмена между перегретой жидко- стью и поверхностью парового пузырька очень велика (примерно 2⋅ 10-5 Вт/(м 2К)). За сет этого происходит интенсивное испарение жидкости в объем пузырька, и при всплывании пузырек существенно увеличивается в размерах. ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ОТ ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА И СПОСОБА ОБОГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ПАРООБРАЗОВАНИЯ При кипении жидкости в неограниченном объеме у нагретой поверхности плотность теплового потока, передаваемого в жидкость от стенки довольно сложно зависит от разности температур «стенка-жидкость», что указывает на существенное влияние различных факторов. Характерная кривая кипения чистой однокомпонент- ной жидкости представлена на рис. 14.1. Анализ этой кривой позволяет сделать не- которые выводы. При малых температурных напорах, когда число центров парообразования сравнительно невелика и турбулизация пограничного слоя мала, интенсивность теп- 40 лообмена определяется только естественной конвекцией, а плотность теплового потока за- висит от разности температуры как ∆ t 1, 25 (зо- на 1, рис. 14.1). По мере роста температуры поверхности число центров парообразования увеличивается (Rk уменьшается) и имеет место переходная зона (2). Область 3 соответствует развитому пузырьковому кипению жидкости, когда малому изменению температуры стенки соответствует существенное возрастание плот- ности теплового потока. При этом по мере рос- та температуры стенки скорость роста q уменьшается, а само значение плотности тепло- вого потока достигает максимума (qмакс) для пу- зырькового режима кипения. Дальнейшее пове- дение кривой кипения зависит от способа нагрева поверхности кипения. Если нагрев поверхности осуществляется так, что есть возможность управления ее температурой (например, паровой нагрев с высокими параметрами пара), то дальнейшее повышение температуры поверхности приводит к уменьшению плотно- сти теплового потока (к снижению интенсивности теплообмена, зона 4). Этот факт объясняется тем, что все большая часть парогенерирующей поверхности покрывает- ся паровой пленкой. Интенсивность переноса теплоты от стенки к паровой среде существенно ниже, чем к жидкой фазе. Зона 4 является переходной зоной от пу- зырькового кипения к пленочному кипению. Точка Г соответствует минимуму теп- лообмена при пленочном режиме кипения. При дальнейшем увеличении температурного напора плотность теплового по- тока растет за счет увеличения радиационной составляющей, поскольку зона 5 явля- ется областью достаточно высоких температур поверхности (для воды > 500 °С). Эта зона является областью пленочного режима кипения. Если нагрев поверхности кипения осуществляется таким образом, что незави- симой переменной является плотность теплового потока (например, электрическим обогревом поверхности), то после достижения максимума теплообмена при пузырь- ковом кипении и дальнейшем повышении плотности теплового потока происходит резкий переход в область пленочного режима кипения (точка Д). При этом темпера- тура поверхности резко увеличивается до 700 – 900 °С. Если происходит уменьше- ние теплового потока при электрическом обогреве, а температура поверхности вы- ше, чем в точке Д, то пленочный режим кипения сохраняется, аж до точки Г, после чего температура поверхности резко снижается (точка Е), а процесс кипения пере- ходит в пузырьковый режим кипения. Точка с максимальной плотностью теплового потока (qмакс) называется первой критической плотностью теплового потока q1кр. Она зависит от теплофизических свойств жидкости и давления. Минимальная плотность теплового потока при пле- ночном кипении qмин называется второй критической плотностью теплового потока q2кр. Опыты показывают, что эта величина зависит от давления, вида жидкости, ше- роховатости поверхности кипения и ряда иных факторов. Она пропорциональна Рис. 14.1. Зависимость плотности теплового потока от температурно- го напора Д Е 41 скорости всплывания пузырьков пара q2кр=crρ ''(σ g(ρ '-ρ '')/ ρ ''2) 1/2, где постоянная c=0, 11 – 0, 14. Это соотношение не учитывает ряд факторов, однако дает результаты, близкие к экспериментальным данным


Данная страница нарушает авторские права?





© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.