14 Теплоотдача при свободном движении в ограниченном пространстве.

В ограниченном пространстве явления нагревания и охлаждения жидкости протекают вблизи друг от друга и разделить их невозможно; в этом случае весь процесс надо рассматривать в целом. Вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков здесь усложняются условия движения. они зависят от формы и геометрических размеров, от рода жидкости и температурного напора.

В вертикальных каналах и щелях в зависимости от их толщины δ циркуляция жидкости может протекать двояко. Если толщина δ достаточно велика, то восходящий и нисходящий потоки проте­кают без взаимных помех и имеют такой же характер, как и вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве. Если же толщина δ мала, то вследствие взаимных помех внутри возникают циркуляционные контуры

В горизонтальных щелях процесс определяется взаимным рас­положением нагретых и холодных поверхностей и расстоянием между ними. Если нагретая поверхность расположена сверху, то циркуляция совсем отсутствует .Если же нагретая поверхность расположена снизу, то имеются и восходящие и нисхо­дящие потоки, которые между собой чередуются

Необходимо обратить вни­мание, что шаровых и горизонтальных цилиндрических прослойках циркуляция развивается лишь в зоне, лежащей выше нижней кромки нагретой поверхности. Ниже этой кромки жидкость остается в покое. Если же нагрета внешняя цилиндриче­ская поверхность, то циркуляция жидкости охватывает все пространство, расположенное ниже верхней кромки холодной поверхности.

Для облегчения расчета такой сложный процесс конвективного теплообмена принято рассматривать как элементарное явление теплопроводности, вводя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности λ_экв. Если значение последнего разделить на коэффициент теплопроводности λ среды, то получим безразмерную величину , которая характеризует собой влияние конвекции и называется коэффициентом конвекции.

Так как циркуляция жидкости обусловлена разностью плотностей нагретых и холодных частиц и определяется произведением GrPr, то и должно быть функцией того же аргумента, т. е.

.

При вычислении чисел подобия независимо от формы прослойки за определяющий размер принята ее толщина δ, а за определяющую температуру — средняя температура жидкости t_ж =0,5 (t_с1+t_с2).

При малых значениях аргумента <10 значение функции = 1. Это означает, что при малых значениях перенос теплоты обуславливается только теплопроводностью жидкости.

При значениях 10³<<10⁶

(6.26)

и при 10⁶<<10¹⁰

. (6.27)

Зная и λ_экв плотность теплового потока через прослойку определится

. (6.28)

15 Общие представления о процессе кипения.Кризисы кипения.

Общие представления о процессе кипения. Кипением назы­вают процесс образования пара внутри объема жидкости.

Для возникновения кипения всегда необходим некоторый пе­регрев жидкости, т. е. превышение температуры жидкости t_ж от­носительно температуры насыщения t_c при заданном давлении р. Этот перегрев зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также свойств гранич­ных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Теплота пе­регрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость бы­стро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объяс­няется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Начальный перегрев снижается в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсор­бированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также раз­личные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе теплоты через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдель­ных точках поверхности, так называемых центрах парообразова­ния. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру

По мере увеличения температуры поверхности нагрева t_с и со­ответственно температурного напора число действую­щих центров парообразования растет, процесс кипения стано­вится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверх­ности, продолжают расти в объ­еме. Последнее объясняется тем, что температура в объеме кипя­щей жидкости, как показывают опытные данные, не равна тем­пературе насыщения, а несколь­ко превышает ее. уравнение теплового баланса при кипении имеет вид

, (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.

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Δt растет не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимального значения, а при дальнейшем повышении Δt начи­нает уменьшаться. До момента достижения максимального тепло­вого потока режим кипения называют пузырьковым. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают q_кр1.

При больших значениях Δt наступает второй, переходный ре­жим кипения .Он характеризуется тем, что как и на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере уве­личения температуры поверхности. Такие участки как бы выклю­чаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. Так наступает третий, пленочный режим кипения .Перенос теплоты в режиме пленочного кипе­ния от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет излучения. Интенсивность теплообмена в ре­жиме пленочного кипения достаточно низкая. Паровая пленка ис­пытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пле­ночного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минималь­ные значения. Минимальное значение тепловой нагрузки при пле­ночном кипении называется второй критической плотностью теп­лового потока q_кр2.

Таким образом, при кипении жидкости на поверхности нагрева в зависимости от температурного напора могут наблю­даться три различных режима кипения.

Стационарное кипение в переходном режиме на практике мо­жет наблюдаться в том случае, когда температура поверхности нагрева поддерживается неизменной за счет контакта этой поверх­ности с внешней стороны с другим теплоносителем, имеющим более высокую температуру и значительную интенсивность теплоотдачи. Такие условия подвода теплоты можно кратко характеризовать как условия обогрева при t_c= const. На практике, однако, часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фик­сированный тепловой поток, т. е. q = const. В условиях q= const температура поверхности t_c и соответственно температур­ный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим ста­ционарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипе­ния приобретает новые специфические черты, имеющие важное прикладное значение. Рассмотрим их подробнее. Для этого вновь обратимся к рис. 7.3. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с ли­нией пузырькового режима кипения на рис. 7.3, и процесс разви­вается так же, как это было описано выше. Новые условия возни­кают тогда, когда подводимая плотность теплового потока дости­гает значения, которое соответствует первой критической плотно­сти теплового потока q_кр1. Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток ме­жду количеством подводимой к поверхности теплоты и той макси­мальной тепловой нагрузкой q_кр1, которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q- q_кр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный ра­зогрев материала стенки. Температура поверхности t_с оказывается более высокой по сравнению с t_{с. кр1} , на поверхности устанавли­вается переходный режим кипения, и отвод теплоты начинает сни­жаться. В итоге разность между подводимым и отводимым коли­чеством теплоты быстро нарастает во времени. Соответственно уве­личивается скорость разогрева поверхности. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, от­вечающим области пленочного кипения при весьма высокой темпе­ратуре поверхности.