7. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА 7.1 Теплообмен при кипении Общие представления о процессе кипения Кипение - процесс образования пара внутри объема жидкости. При подводе теплоты через поверхности, стенки которых имеют микрошероховатости, различные неоднородности, образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, так называемых центрах парообразования.

Уравнение теплового баланса при кипении (7.1) где Q – тепловой поток, Вт; r – теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; G" – количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают мкр 1.

Процесс кипения жидкости: а) пузырьковый, б) переходный, в) пленочный

Зависимость плотности теплового потока q от температурного напора Δ t при кипении воды.

Теплообмен при пузырьковом кипении Поверхностное натяжение - сила, под действием которой свободная поверхность жидкости стремится сократиться Изменение поверхностного натяжения с температурой может быть определено по формуле Бачинского (7.2) где – плотность жидкости; // – плотность пара при температуре насыщения; с – коэффициент пропорциональности.

Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р п выше давления окружающей его жидкости р ж. Их разность определяется уравнением Лапласа (7.3) где σ – поверхностное натяжение, Н/м; R – радиус пузырька (в общем случае – средний радиус кривизны поверхности раздела жидкости и пара).

Минимальный радиус парового пузырька где р s / – производная давления по температуре на линии насыщения.

Форма мениска и краевой угол θ при смачивании (а) и несмачивании (б) поверхности жидкостью.

Отрывной диаметр d 0 зависит от краевого угла смачивания θ q кр 1 при прекращении пузырькового режима определяется из соображений: =>=>

Теплообмен при пленочном кипении Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах (течение пара носит ламинарный характер) (7.11) где r*=r+0.5 x c p // (t c -t s ) – эффективная теплота фазового перехода, учитывающая перегрев пара в пленке; D – диаметр трубы. При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин (течение пара носит турбулентный характер) (7.12) =>=>

Критическая плотность теплового потока при прекращении пленочного режима кипения q кр 2 (7.13) где α – коэффициент теплоотдачи в режиме пленочного кипения.

7.2 Теплообмен при конденсации конденсация капельная конденсат осаждается в виде отдельных капель пленочная на поверхности образуется сплошная пленка жидкости Теплоотдача при пленочной конденсации пара Плотность теплового потока где δ – толщина пленки; λ – коэффициент теплопроводности конденсата; t c – температура поверхности

Также по закону Ньютона – Рихмана передача теплоты от пара стенке: Пленочная конденсация на вертикальной стенке Окончательно:

Дифференциальные уравнения энергии и движения для единичного объема конденсата в пленке: Интегрирование выражения (7.18) приводит к соотношению: =>

После определения констант С 1 и С 2 закон распределения скоростей в слое конденсата запишется: Окончательно имеем:

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для вертикальной стенки или вертикальной трубы высотой h где Изменение коэффициента теплоотдачи α и толщины пленки δ вдоль вертикальной стенки.

Коэффициент теплоотдачи для наклонной стенки для горизонтальной трубы где ns – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле для горизонтальной трубы при определяющей температуре t s ; t – поправка, учитывающая зависимость физических свойств от температуры и определяется из таблиц.

Выражения для поправки к формуле Нуссельта где Re s – число Рейнольдса конденсатной пленки. Число Re для пленки в общем случае где G – массовый расход жидкости в пленке, приходящийся на единицу длины поверхности по нормали к направлению течения жидкости, кг/(м ·с).

при конденсации число Re может быть выражено через теплообменные характеристики процесса расчетное соотношение для теплоотдачи при конденсации пара на поверхности вертикаль­ных труб и плит имеет вид где ns – коэффициент теплоотдачи при отнесении физических свойств к температуре насыщения t s ; v – поправка на волновое течение; t – поправка, учитывающая зависимость физических свойств от температуры.

Характер течения конденсатной пленки (а) и изменение коэффициента теплоотдачи (б) вдоль вертикальной плиты большой высоты. При h кр течение пленки приобретает турбулентный характер.

Значения (h t кр ), при которых возникает турбулентный режим течения в пленке, определяются соотношением а) Влияние перегрева пара При конденсации перегретого пара необходимо учитывать теплоту перегрева, Дж/кг где – энтальпии перегретого и насыщенного пара соответственно.

б) Влияние состояния поверхности в) Влияние содержания в паре неконденсирующихся газов Характер изменения парциальных давлений пара и воздуха, а также температуры пара.

Схема установки конденсатоотводных колпачков на вертикальных трубах

Теплоотдача при капельной конденсации пара Теплоотдача при капельной конденсации водяного пара в зависимости от t s и Δt.