Теплоотдача при кипении и конденсации. (Лекция 16)

1.

Лекции по ТТМО
доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.
Э6
нергомашиностроение.
Лекция №16
ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ
И КОНДЕНСАЦИИ
•Теплоотдача при кипении жидкости
•Теплоотдача при конденсации пара

2.

Теплоотдача при кипении жидкости
Рис. 1. Зависимость q и a
Кипением называется процесс образования пара
в жидкости при ее нагревании. Температура
образующегося пара носит название
температуры насыщения Т". Величина
температуры насыщения определяется давлением
р, под которым находится кипящая жидкость. Опыт
показывает, что температура кипящей жидкости Тж
всегда немного выше температуры насыщения Т",
т. е. жидкость при кипении перегрета относительно
пара. Перегрев жидкости максимален для частиц,
прилегающих к нагреваемой поверхности: ΔТmax =
Тст — Т". Установлено, что интенсивность
процесса кипения в основном определяется
перегревом жидкости относительно температуры
насыщения. От степени перегрева ΔТ зависят
число центров парообразования и теплоотдача,
поэтому при определении коэффициента
теплоотдачи в качестве разности температур
принимается ΔТ = Тст — Т"
q
a
Òñò Ò''
(1)
На рис. 1 даны типичные зависимости q =f (ΔТ)
и α = f (ΔТ). В области АВ при малых значениях ΔТ
значение коэффициента теплоотдачи невелико и определяется условиями свободной конвекции
жидкости. При увеличении ΔТ (участок BC) число возникающих пузырей возрастает, усиливается
перемешивание жидкости у поверхности и потому интенсивность теплоотдачи резко возрастает.
Такой режим кипения носит название пузырчатого кипения.

3.

Рис. 2. Зависимость первой критической плотности
теплового потока от давления при кипении в
большом объеме q кр1= f(p)
При дальнейшем увеличении ΔТ до ΔТ кр число
центров парообразования возрастет настолько,
что пузыри сливаются между собой и на
поверхности нагрева образуется пленка пара,
которая оттесняет жидкость от нагреваемой
стенки, в связи с чем теплоотдача резко
снижается. Такой режим кипения называется
пленочным. Уменьшение коэффициента
теплоотдачи а приводит к тому, что передача того
же самого количества теплоты от стенки к
жидкости qкр становится возможной только при
соответствующем увеличении температуры
перегрева стенки по сравнению с ΔТ кр. Это часто
приводит к прогару стенки. Таким образом,
наиболее эффективным является пузырьковое
(пузырчатое) кипение при критических тепловых
потоках qкр. Однако для выбора оптимального и
безопасного температурного режима работы
кипятильных и выпарных аппаратов необходимо
знать величины ΔТ кр и qкр.
Тепловая нагрузка, соответствующая смене
пузырькового режима кипения на пленочный, называется первой
критической плотностью теплового потока.
Вторая критическая точка характеризует переход
от пленочного режима кипения к пузырьковому и сопровождается
разрушением паровой пленки на поверхности нагрева.
a Aq 0,7 B t 2,33
t
1 0,3
q
C
A
(2)
В = А3,33 ; обе величины зависят от рода жидкости
и p.
Как показали эксперименты, с ростом давления значение qкр сначала резко увеличивается, достигает
некоторого максимума, затем уменьшается и при критическом давлении становится равным нулю (рис.
2). По этим данным для воды наивысшее значение qкр ~ 4,6*103 кДж/(м2сек) должно быть при р ~ 80
бар (для воды ркр ~ 225 бар).

4.

Для расчета теплоотдачи при объемном кипении чистых жидкостей в условиях свободной конвекции
наиболее удачна обобщенная зависимость, полученная Г.П. Кружилиным. Формулы для расчета а и
qкр в области пузырчатого кипения имеют вид
0.8 10,333 ( 2 r )0, 033 q 0, 7
a 0,04 0,5 0,333
( 1 2 )0,333T ''0,37c 0,17
0.5 ( 1 2 )0,542 ( 2 rT '' )0, 0333 0, 42
qкр 12000
10.417c 0,17
(3)
(4)
где λ, µ, σ, c — соответственно теплопроводность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение и
теплоемкость жидкости при температуре насыщения;
ρ1 и ρ2 — плотности жидкости и пара;
r — теплота парообразования.
Теплоотдача при конденсации пара
На поверхности теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения, возникает
конденсация пара. Если образующийся конденсат смачивает поверхность, то конденсация носит
название пленочной, если конденсат не смачивает поверхности, конденсация — капельная.
Капельная конденсация отличается особенно интенсивной теплоотдачей так как при ней всегда
сохраняется непосредственный контакт пара с холодной стенкой, однако на практике капельная
конденсация встречается довольно редко, поэтому будем в дальнейшем рассматривать процесс
пленочной конденсации.
При пленочной конденсации вся теплота, выделившаяся при конденсации пара, проходит через
пленку и отводится через стенку. При ламинарном режиме течения конденсата перенос теплоты
через пленку осуществляется теплопроводностью.

5.

В этом случае количество теплоты, переданное единице поверхности, определяется следующим образом
(рис. 3):
''
q x (Ò Òcò )
x
(5)
Тcт — температура частиц конденсата,
соприкасающихся со стенкой;
Т" — температура насыщения;
δx — толщина слоя в сечении х;
— коэффициент теплопроводности конденсата.
Это же количество теплоты можно представить
выражением, используя гипотезу Ньютона:
qx a x (T " Tcт )
ax
Рис. 3. Пленочная конденсация
x
(6)
Определение коэффициента теплоотдачи, таким образом,
сводится к определению толщины δx конденсата, которая
находится из условия равновесия сил трения, тяжести,
поверхностного натяжения и инерции элемента конденсата.

6.

Нуссельтом была получена зависимость для определения толщины пленки конденсата в виде
4 x(Ò'' Òñò )
x 4
2r
2 r 3
ax 4
x
4 x(Ò'' Òñò )
1
r 2 3
a a x dx 1,15 4
H 0
H (Ò'' Òñò )
(7)
(8)
H
a a верт 4 sin
(9)
(10)
al
gl
r
Nu
; Pr ; Ga 2 ; k
a
c(Ò'' -Òñò )
3

7.

Для расчета конденсаций критериальные уравнения имеют вид:
а) для среднего значения коэффициента теплоотдачи вертикальной стенки или трубы
Nu 0, 42(Ga k Pr)
Pr
Pr
ст
''
0,28
0,25
б) для среднего коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы
Nu 0, 72(Ga k Pr)
Pr
Prст
''
0,28
0,25
При конденсации пара теплоотдача зависит от ряда факторов: направления течения пара,
состояния поверхности, содержания в паре неконденсирующихся газов, конструкции
теплообменника и др.
Так, например, если движение пара совпадает с направлением течения пленки, то вследствие
трения скорость течения пленки увеличивается, толщина уменьшается и коэффициент
теплоотдачи возрастает. При движении же пара и пленки в противоположные стороны течение
пленки тормозится, толщина ее увеличивается и коэффициент теплоотдачи несколько
уменьшается.

8. Контрольные вопросы

Теплоотдача при кипении жидкости
Зависимость q и
Зависимость q = f(p)
Теплоотдача при конденсации пара
Пленочная конденсация
Среднее значение коэффициента теплоотдачи вертикальной стенки или трубы
Среднее значение коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы
Критерий Кутателадзе