Главная Процесс переноса теплоты



но движется вверх в виде отдельных струй или столбов, увлекаемая паровыми пузырьками. Нисходящее движение, компенсирующее это подъемное движение жидкости в центральной части сосуда, происходит около стенок, где количество пузырьков меньше и жидкость в среднем «тяжелее». Вследствие такой циркуляции основное количество пузырьков всплывает в восходящем потоке жидкости. Поэтому скорость их подъема относительно стенок сосуда оказывается большей, чем вычисленная по приведенным формулам для малоподвижной жидкости.

Иную структуру имеет поток при кипении жидкости, цедогретой до температуры насыщения (рис. 13-U). В этом случае двухфазное состояние наблюдается лишь в пристенной области. Поверхностное кипение начинается при температурном напоре Дяач, при котором тепловой поток может быть найден из условий конвекции однофазной жидкости. С другой стороны, тепловой поток <?иш может быть определен из условий кипения жидкости (см. ниже). Уравнение теплового баланса позволяет выразить искомое значение температурного напора

Д4ач = 4 -*ж =


Распределение температуры в иедогретои жидкости.

/ - однофазная жидкость; 5~кипяц№й пограничный слой

определить температуру стенки tc, а затем найти д„,ш, при котором начинается поверхностное кипение. Тепловой поток, соответствующий началу кипения, увеличивается с повышением недогрева жидкости [Л. 136].

13-3. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ПУЗЫРЬКОВОМ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОГО ДВИЖЕНИЯ

процесс теплоотдачи при кипении .кидкости отличается весьма большой сложностью. В зависимости от конкретных внешних условий наблюдается большое многообразие гидродинамических форм потока при кипении и чрезвычайная сложность отвечающих им количественных закономерностей для теплоотдачи. Поэтому строгой теории для процесса теплоотдачи при кипении жидкости пока не существует.

В приближенных теориях могут быть использованы различные подходы к процессу теплообмена. Одним из важных направлений-в теории теплообмена при кипении жидкости является нахождение количественных связей между характеристиками микрокипения (размеры, характерные скорости движения пузырей; частота отрыва, число центров и др.) и интегральными характеристиками (q, а), необходимыми для технических расчетов.

Может быть использован подход, в котором коэффициент теплоотдачи выражается через величины, определяющие тепловую проводимость жидкой прослойки под паровыми пузырями [Л. 102, 126]. Чаще всего количественная связь между коэффициентом теплоотдачи и



факторами, от которых ои зависит, устанав-тивается экспериментальным путем с использованием теории подобия.

Анализ условий подобия [Л. 85] основывается на следующих исходных положениях. Рассматривается однокомпонентная смачивающая жидкость (е<я/2) при постоянных физических параметрах в условиях свободного движения. Принимается, что тепловой ноток от поверхиости"! нагрева воспринимается жидкой фазой и режим кипения - пузырьковый. Кипение происходит иа горизонтальной плоской стенке (рис. 13-10). Размеры поверхиости нагрева велики по сравнению с размерами паровых пузырьков. Температурное поле в жидкой фазе опреде-чяется системой дифференциальных уравнений конвективного теплообмена. -Она включает уравнение энергии

уравнение движения

+ (oi grad) 3=- -!- grad р + v V

уравнение сплошности

div ш = 0.

Эта cifcrema уравнений дополняется:

уравнением движения парового пузыря, характеризующим условие равновесия между подъемной силой и силой гидравлического сопротивления:

{njb) dq (рж-рп) =<;(я/4) dpnum,

где d - текущее значение диаметра пузыря; u=Wji-- относительная скорость подъема пузыря; с - коэффициент лобового сопротивления.

Уравнением теплообмена на поверхности парового пузыря, характеризующим тепловой поток, подводимый к поверхиости пузыря за счет теплопроводности и затрачиваемый на испарение жидкости внутрь пузыря, что обусловливает рост его объема:

здесь п-нормаль к внешней поверхности парового пузыря; dF - элемент поверхности парового пузыря.

В реальных условиях на единице поверхности действуют z центров парообразовання, причем

2=/(do, Rk).

В условиях однозначности принимается, что температура жидкости иа свободной поверхности равна t; на поверхности нагрева задана постоянная температура t.

Анализ указанной системы дифферепциальпых уравнений и условий однозиачности методами теории подобия позволяет получить уравнение подобия:



Диаметр d„ согласно (13-7) при 6 = const пропорционален капиллярной постоянной 8= l/o/g(p,K - Рп), которая имеет размерность длины. Величина как это следует из уравнения (13-4), зависит от температурного напора &t=tc-н- Поэтому удобнее критерии в (13-8) несколько преобразовать, заменяя одновременно do на б.

Обозначим:

4=4 -=.°Р«7н/(гр„)=4ада.

Величина /, является характерным линейным размером. Она имеет размерность длины и пропорциональна критическому радиусу отношению энтальпии перегрева жидкости к теплоте парообразования и отношению плотностей паровой и жидкой фаз.

Тогда уравнение (13-8 ) может быть записано в виде

Nu==0,082K°XpC"- (2-9)

Безразмерные комплексы Kz и Kq определяют соответственно число действующих центров парообразования и частоту отрыва паровых пузырей в этих центрах.

Теплоотдача на погруженных поверхностях при развитом кипении ие зависит от формы и ориентации теплоотдающей поверхности (если реализованы условия беспрепятственного отвода пузырьков пара). Это означает, что ускорение поля тяжести не должно оказывать заметного влияния на теплоотдачу.

Если принять, что теплоотдача автомодельпа относительно величины ускорения сил поля тяжести, то последнее уравнение приобретает вид [Л. 98]:

Nu.=/i(Re., Ргж). (13-10

В этом уравнении приняты следующие обозначения:

Nu, = ;Re,=!i-Pr,,=.

Основным термическим сопротивлением является поверхностная пленка жидкости под паровыми пузырями. Толщина ее увеличивается с увеличепнсм vb< и умецьшается с ростом интенсивности парообразования. Число Re, является мерой влияния этих эффектов.

Коэффициент теплоотдачи при кипении насыщенной и иедогретои жидкости выражается следующим образом:

а=9/(/с-/в).

Уравнение подобия (13-10) было положено в основу обобщения большого числа опытных данных при кипении различных жидкостей (включая жидкие металлы). В результате обобщения получена формула [Л. 96]

Nu.=cRe»,Pr«. (13-11)

Физические параметры, входящие в числа подобия, берутся при температуре насыщения.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 [102] 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.0129