Курс лекций по ТМО_ Абузова Ф[1].Ф.

Таким образом, получаем: Qmz =1,14 (при прочих равных условиях).

Qmп

Лекция 13

2.3. Дополнение к теплообмену при фазовых превращениях. Кипение

Кипение - процесс интенсивного парообразования во всем объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения, с образова-

нием паровых пузырей.

На p–t диаграмме кипение – во всей области от тройной точки F до критической точки K.

Рис. 13.1. Диаграмма фазового перехода вблизи точки F Различают зарождение паровых пузырей на твёрдой поверхности, к

которой подводится тепло, и в объёме.

На твёрдой поверхности кипение происходит в центрах парообразо-

вания; объёмное кипение наблюдается при значительном перегреве t (относительно ts) и при быстром сбросе давления. В современной энерге-

тике парообразование чаще встречается на твёрдой поверхности.

Механизм теплообмена при кипении отличается от механизма теп-

лообмена при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты пузырями из пограничного слоя в объём кипящей жидкости. Уравнения для расчёта коэффициента теплоот-

дачи (через Nu – в табл. 2) при кипении не могут быть использованы, т.к.

нарушается условие сплошности (неразрывности) потока (5.16).

103

Различают 2 основных режима кипения: пузырьковый и плёночный.

Рис. 13.2. Пузырьковый (А) и плёночный (Б) режим кипения Теплота, подводимая в единицу времени для поддержания процесса

кипения:

где r – удельная теплота парообразования, [r]= кДж ;

кг

M′′– расход пара, M′′ = кг .

с

По мере увеличения Q на поверхности образуется слой пара, усло-

Коэффициент теплоотдачи α изолирующего слоя мал, происходит пережог поверхности.

Условия протекания процесса кипения своеобразны, складываются из образования пузырьков и их отвода с поверхности. Для однокомпонент-

ной жидкости возникновение пузырьков возможно при перегреве.

Рис. 13.3. Давление на пузырёк

104

Давление на пузырёк

где σ – сила поверхностного натяжения, [σ]= Н ;

м

R – радиус пузырька.

Давление жидкости

Рис. 13.4. Перегрев t

Перегрев t = tп −ts зависит от физических свойств и чистоты жид-

кости – чем чище жидкость, тем больше перегрев. Сильно перегретая жид-

кость кипит взрывообразно. Наличие же пузырьков газа, воздуха, механи-

ческих примесей придает кипению спокойный характер, так как все приме-

си – центры парообразования.

Если процесс парообразования идёт на твёрдой поверхности, она может быть шероховатой и на ней могут быть абсорбированы частички га-

за – всё это уменьшает молекулярное сцепление жидкости с твёрдой по-

верхностью и уменьшает t . При прочих равных условиях на полирован-

ной поверхности t возрастает. Если давление уменьшается, t также уменьшается.

Отдельно рассмотрим зависимость q и t : t = f (q) – кривая кипе-

ния.

105

кризисы кипения с коренным изменением механизма и интенсивности

В области 5 лучистый теплообмен незначителен, а в области 6 – зна-

чителен за счёт теплового излучения.

qкр1 и qкр2 – смена режимов теплообмена и его интенсивности – это

кризисы I рода, а кризисы II рода – ухудшение теплоотдачи в момент высыхания кольцевой плёнки жидкости на стенке трубы при переходе стержневого режима кипения в дисперсный.

Теплоотдача при пузырьковом режиме в большом объёме

Существует много эмпирических формул для расчета α.

где p – абсолютное гидростатическое давление (с учётом po); t, p, q – относятся к режимным параметрам;

B, k, l – зависят от формы, режима течения, природы жидкости, вре-

мени, степени обработки поверхности.

Более подробно вопрос изложен в следующем источнике:

Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче.

М-Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 414 с.

С увеличением времени α уменьшается, так как стабилизируется процесс кипения.

Нефть и нефтепродукты при p =const кипят в интервале температур начала и конца кипения от tнк до tкк . Интервал гостируется условиями сме-

сеобразования в двигателях.

107

Структура двухфазного потока при течении внутри труб

кипящей жидкости

∙ Вертикальная труба

Поверхностью нагрева является стенка трубы. В трубе при движении

жидкости постоянно увеличивается паровая и уменьшается жидкая фаза.

Следовательно, изменяется гидродинамическая структура потока как по

длине, так и по сечению трубы, и изменяется теплоотдача.

Рис. 13.6. Кипение воды в вертикальной трубе:

1 – однофазная жидкость; 2 – пристенное кипение; 3 – пузырьковый (эмульсионный) режим; 4 – пробковый режим; 5 – стержневой режим;

6 – влажный пар

В вертикальной трубе различают 3 основные структуры потока:

oI – область подогрева (экономайзерный режим) – до сечения с tc = ts ;

108

oII – область кипения (испарительный участок) – от tc = ts до tc > ts ,

при этом энтальпия смеси стремится к энтальпии пара hсм → hпара ;

oIII – область подсыхания влажного пара – наблюдается в основ-

ном в длинных трубах.

Если скорость w увеличивается при заданных q, tвх и lтр, то длина I

области возрастает, а III – уменьшается.

Если q увеличивается при заданных w, tвх и lтр, то длина I области

уменьшается, а III – увеличивается.

∙ Горизонтальная (с небольшим наклоном) труба

Рис. 13.7. Кипение воды в горизонтальной трубе:

А – нормальное течение; Б – течение с увеличенной скоростью

Рис. 13.8. Пробковый (А) и кольцевой (Б) режим кипения

При кольцевом режиме кипения жидкость течёт по кольцу, внутри ко-

торого находится пар.

Объёмное и массовое паросодержание определяется

109

Mсм

где Vп, Mп, Vсм, Мсм – массовый и объёмный расходы пара и смеси.

Теплоотдача при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах в условиях,

когда жидкость нагрета до температуры насыщения, коэффициент тепло-

отдачи может быть подсчитан по следующим формулам из [2]:

где αw – коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении кипящей жидкости, определяемый по формулам однофазной жидкости;

αк – коэффициент теплоотдачи при развитом (турбулентном) пузырь-

ковом кипении в большом объёме, определяемый по формулам:

где r – теплота парообразования;

σ – поверхностное натяжение;

110

ρ′, ρ′′ – плотность жидкости и пара;

Ts – абсолютная температура насыщения.

Все теплофизические параметры взяты при температуре насыщения.

Величина l измеряется в метрах.

Формулы справедливы при:

Приведённые выше две расчётные формулы для Nu применимы

Лекция 14*

2.4. Приближение пограничного слоя

Система уравнений ламинарного пограничного слоя

Рассмотрим продольное стационарное обтекание плоской поверхно-

сти тела безграничным потоком жидкости при ламинарном режиме. Ско-

рость и температура потока постоянны и равны соответственно wж и tж.

* Как правило, материал лекций 14 и 15 разбирается на семинаре.

111