3. Теплоотдача при кипении жидкостей.

Встречается в выпарке, ректификации, холодильной технике и пр. Это наиболее сложный процесс, т.к. нет надежных теоретических обобщений.

При кипении нарушается пограничный слой – на неровностях поверхности образуются пузырьки.

Процесс зависит от:

А) способности жидкости смачивать поверхность;

Б) разности температур поверхности нагрева стенки и кипящей жидкости;

В) шероховатости и чистоты поверхности.

На смачиваемой поверхности жидкость подтекает под пузырьки и облегчает их отрыв от поверхности. При плохой смачиваемости отрывается только вершина пузырька, а у поверхности нагрева имеется паровая прослойка. При интенсивном кипении вся поверхность может покрываться пленкой – малые .

При подъеме пузырьки увеличиваются в объеме вследствие испарения жидкости внутрь пузырьков. Основное количество тепла воспринимается пузырьком не от поверхности нагрева, а от жидкости. Жидкость немного (на 0.3-0.4 ) перегрета по отношению к образующемуся пару.

Теплоотдача – механизм переноса тепла:

• от поверхности нагрева к жидкости;

• от жидкости к пузырькам пара (теплота испаряется);

• пузырьки – в паровую фазу.

Число центров парообразования и частота их отрыва зависит от разности температур, поверхности нагрева и кипящей жидкости

q – тепловой поток.

Имеется максимум коэффициента теплоотдачи при критической разности температур ( ).

зависит от:

- природы кипения жидкости;

- температуры, давления;

- характера поверхности нагрева.

Для воды при p=1 атм =25 .

Для бензола 40

До с ростом увеличивается и тепловой поток q. Число центров парообразования растет. Благодаря росту, отрыву и всплыванию пузырьков жидкость перемешивается, и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Это пузырьковое или ядерное кипение.

После происходит слияние пузырьков пара, поверхность покрывается сплошной пленкой пара. Хотя она и нестабильна, коэффициент уменьшается. Это пленочное кипение. Число центров парообразования сильно возрастает.

При пузырьковом кипении, когда q<q_кр (в большом объеме и в трубах):

Все физико-химические константы – при

– поверхностное натяжение, н/м

T - К

= ,

b =0.075[ ]

Для кипящей воды

Где: - давление, атм;

– уд. Тепловой поток, Вт/м².

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи

А) нагревание и охлаждение [ккал/м² ч град]

Газов 1-50

Перегретых паров 20-100

Жидкостей 50-10 000

Б) кипение жидкостей (воды) 500-45 000

В) конденсация водяных паров:

-пленочная 4 000-15 000

-капельная 40 000-120 000

-конденсация органических паров 500- 2 000

Г) Свободное движение газы 3-9

Жидкости 250-900

Сложная теплоотдача.

Сложная теплоотдача – распределение тепла двумя или тремя из вышеперечисленных способов одновременно. Наиболее важный случай – конвекция и тепловое излучение.

x

,где – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием.

Тепловые потери в закрытом помещении до

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Теплопередача – передача тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку.

Основное уравнение теплопередачи в диф. форме:

.

В интегр. виде kF – основное уравнение теплопередачи

Цель – расчет аппарата[К]=[ ]

К – показывает, какое количество тепла переходит от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени через единицу поверхности при разности температур=1 град.

1. Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей.

Плоская стенка

При установившемся процессе температуры (локальные) не изменяются.

– термическое сопротивление зависит от вида теплоносителя температуры, скорости потока, материала стенки, т.е. от рода продукта коррозии или осадка.

Термическое сопротивление – сумма = термических сопротивлений.

Это уравнение связывает тепловой поток с поверхностью теплопередачи и служит для расчета аппаратов.

А) при передаче тепла через чистую металлическую стенку мало и

Б) если , то

Пример:

Вывод: для интенсификации теплопередачи следует увеличивать наименьший из коэффициентов , например: увеличением скорости его движения или путем оребрения поверхности со стороны этого теплоносителя.

Теплопередача при переменных температурах теплоносителей

(Движущая сила тепловых процессов)

При постоянных – сравнительно редко (кипение-конденсация). Обычно – температуры изменяются вдоль поверхности теплопередающей стенки.

При установившемся процессе .

Теплопередача зависит от взаимного направления движения теплоносителей, при непрерывных процессах:

А) прямоток

Б) противоток

В) перекрестный ток

Г) смешанный ток

Движущая сила (разность температур) зависит от направления движения теплоносителей. Поэтому в инженерных расчетах пользуются средней движущей силой.

РаРасход теплоносителей .

Допустим, что:

- теплоемкости не зависят от температуры и равны ;

- – постоянно вдоль поверхности теплообмена.

Уравнение теплового баланса для элемента поверхности :

Для удобства вводим – водяной эквивалент ;

Численное значение определяет количество воды, которое по своей тепловой емкости равно количеству тепла, необходимого для нагревания данного теплоносителя на 1 при заданном расходе .

Складываем

С другой стороны, основное уравнение теплопередачи:

Подставляем

Или

Чтобы найти записываем уравнение теплового баланса для всей поверхности теплообмена.

Подставляем:

Отсюда:

Сравнивая с

Зависимость при прямотоке – логарифмическая.

Если арифметическая – среднеарифметическая разность температур.

Это уравнение справедливо и для противотока в виде:

При , можно вычислять как среднеарифметическую:

При перекрестном и смешанном токе разность температур выше, чем при прямотоке, но ниже, чем при противотоке.

Замечания при выводе величины :

1. Пользовались режимом идеального вытеснения, не учитывали влияние перемешивания на среднюю движущую силу;

2. считалось, что не изменяются вдоль поверхности теплообмена. В противном случае используется град. интегрирование;

3. считалось, что процесс – установившийся, на самом деле в ходе эксплуатации аппараты меняются.

Выбор взаимного направления движения теплоносителей

Важен для экономичного проведения теплопередачи.

А) при противотоке обеспечивается более глубокий теплообмен;

Б) при противотоке движущая сила изменяется менее резко;

В) при , холодный теплоноситель нагревается в случае противотока до более высокой температуры, вследствие чего сокращается расход холодного теплоносителя, что выгодно;

Г) при , расходы одинаковы, но при противотоке выше средняя разность температур – больше скорость теплообмена, меньше требуемая F.

Если происходит изменение агрегатного состояния, то направление движения безразлично.

Если один из теплоносителей имеет высокую температуру, предпочти-телен прямоток (технологические соображения).

А) не перегревается высушиваемый материал;

Б) не перегреваются стенки барабана.

Определение температуры стенок.

В ряде случаев есть необходимость определять температуру стенок. Ее находят методом последующих приближений.

1. Задаются произвольно этой температурой и находят ( );

2. Определяют

3. Проверяют значение до сходимости с принятой величиной следующим образом:

приравнивая и сокращая на :

В непрерывно действующих аппаратах нестационарные режимы возникают обычно в периоды пуска, остановки, изменения режима работы. Расчет – для стационарного теплообмена.

В ряде случаев – нестационарный теплообмен (регенерат.м-ки, нагреват. печи, период. ап-ра )

Все нестационарные тепловые процессы обусловлены изменением энтальпии тела до момента выравнивания температуры с температурой окружающей среды, т.е. до теплового равновесия. При расчете определяют время нагрева до температуры (или температуру нагрева за определенное время).

Теплопроводность при нестационарном режиме.

1. Аналитическое решение

– уравнение Фурье

Дифференциальное уравнение теплопроводности. Аналитическое решение сложно и громоздко даже при различных допущениях.

2. Графоаналитический расчет

Строят графики

– количество тепла, которое надо затратить, чтобы разогреть тело от начальной температуры до заданной .

- количество тепла, которое надо затратить, чтобы разогреть тело от начальной температуры до температуры окружающей среды (до наступления теплового равновесия, достигаемого теоретически при ).

Сл-но

Критерий Био: – совпадает с .

Характеризует подобие процессов нестационарной теплопроводности (соотношение термического сопротивления теплопроводности к термическому сопротивлению при теплопередаче).

Отличие: 1) – заданная величина;

– твердого материала;

- характерный геометрический размер.

Критерий Фурье -

пример: провести термообработку шара в печи при 1200

=800 ; =20.

1. =

2. 

(проверка методом послед.-прибл.)

3. по графику -

4. вычисляем , одновременно определяется температура поверхности в центре шара.

Теплопередача при нестационарном движении.

Периодическое нагревание или охлаждение жидкости через стенку. Температура изменяется во времени. Определяют продолжительность нагревания или охлаждения .