8.4.10.5. Теплообмен при изменении агрегатного состояния жидкости
В
ТС могут происходить явления, связанные
с изменением агрегатного состояния
среды: кипение и конденсация. Кипение
происходит путем зарождения и роста
пузырьков пара и отрыва их от поверхности.
Пузырьки зарождаются у нагретой
поверхности. Частота их, форма и размеры
зависят от свойств жидкости, давления,
температурного напора Δθ
и движения жидкости. При естественной
циркуляции процесс образования пузырьков
пара происходит так. Зародившись,
пузырьки быстро растут. Температура в
них равна температуре кипения, которая
для воды при атмосферном давлении равна
.
Она остается неизменной на всем периоде
кипения. Температура у нагретой
поверхности выше и равна θS.
В пограничном слое при удалении от
нагретой поверхности она быстро снижается
до значения, близкого к
θН.
Давление пара в пузырьке несколько выше
давления окружающей среды, и он растет
до определенных размеров d0
и затем отрывается. Диаметр пузырька
определяется по формуле
где Ψ - угол смачивания или краевой угол, рад; σ - поверхностное натяжение; ρ0 и ρП - соответственно плотность жидкости и пара.
Угол смачивания Ψ зависит от смачиваемости жидкостью твердого тела: для воды Ψ = 50°; для ртути Ψ = 137°.
|
|
а |
б |
Рис. 8.27.а,б. Формы пузырьков при кипении смачивающей (а) и несмачивающей (б) жидкостей. |
|
Если жидкость не смачивает тело, то Ψ > 90° и пузырьки имеют вид колпака (см. рис.8.27.б). Если жидкость смачивает твердое тело, то Ψ < 90° и пузырьки имеют форму шара (см. рис.8.27.а). Частота отрыва пузырьков не зависит от тепловой нагрузки, давления и скорости циркуляции и определяется перегревом, т. е. температурным напором.
Так как температура жидкости выше, чем температура насыщения θН, то рост пузырьков происходит и после их отрыва. Чем выше температура жидкости, тем выше подъем и рост пузырьков на подъеме, диаметр которых может увеличиться у поверхности в десятки раз. Чем чаще пузырьки отрываются от поверхности нагрева, тем выше коэффициент теплоотдачи, который зависит главным образом от температурного напора.
Рис. 8.28. Зависимость коэффициента теплоотдачи
от температурного напора
С увеличением Δθ до 7° отвод тепла от поверхности нагрева происходит конвекцией без образования пузырьков. При увеличении температурного напора от 7° до 25° возрастает интенсивность образования пузырьков, и коэффициент теплоотдачи резко возрастает до максимального значения.
При дальнейшем увеличении Δθ пузырьковое кипение постепенно переходит в пленочное: у поверхности нагрева образуется сплошная паровая подушка, ухудшающая отвод тепла, и коэффициент теплоотдачи резко уменьшается и в дальнейшем сохраняется постоянным.
Наибольшая плотность теплового потока
qmax = αmax Δθ.
Для расчета коэффициента теплоотдачи применяется критериальное уравнение:
При этом Р = О, так как роль свободной конвекции в теплоотдаче незначительна.
где
d0
- диаметр пузырьков;
-
коэффициент теплоотдачи;
λ - коэффициент теплопроводности жидкости при температуре насыщения.
Число Рейнольдса определяется по выражению
где VK - условная скорость кипения, т. е. движение пузырьков пара, м/с;
ν - коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
где q - плотность потока теплоотдачи в жидкости; ρП - плотность пара; r - теплота парообразования.
Так как q = αΔθ, то VK = αΔθ/ρПr.
В итоге из критериального уравнения получим
.
Значения коэффициента и показателей степеней приведены в табл 8.1.
Таблица 8.1
Re |
C1 |
K |
m |
n |
< 0,01 |
0,0039 |
2 |
1 |
0,66 |
> 0,01 |
0,00263 |
2,86 |
1,86 |
0,95 |
Для СОЖ на водной основе Re > 0,01 и зависимость для режима пузырькового кипения при 105˚С ≤ θS ≤120˚С приводится к виду
α
= 170 (θS
– 100)1,86
,
.
При
α = 3,33 ∙ 106 (θS – 100) - 1,43 , .
При
αK = 3 ∙ 103 Вт/м2с,.
Выше приведенные зависимости справедливы при давлении жидкости 0.101 МПа.