Теплообмін при зміні агрегатного стану

PAGE 4

Л е к ц і я 2.6. Теплообмін при зміні агрегатного стану.

Загальні уявлення про процес кипіння. Режими кипіння. Криза кипіння. Тепловіддача при пузирковому кипінні у великому об’ємі. Тепловіддача при вимушеній конвекції киплячої рідини у трубах.

Краплинна та плівкова конденсація пари. Режими течії плівки конденсату. Тепловіддача при конденсації. Формула Нусельта. Вплив різних факторів на теплообмін при конденсації.

Джерела інформації: [1], с.394-401; [2], с.215-223; [8], с.110-160;

Загальні уявлення про процес кипіння. Режими кипіння. Криза кипіння. Кипінням називається процес переходу речовини з рідкого стану у пароподібний, який характеризується появою парової фази у середині рідини, що нагріта до температури, яка вище за температуру насичення . Кипіння може відбуватися у всьому об’ємі рідини або на твердій поверхні нагріву; парові пузирчики утворюються в окремих точках поверхні – центрах пароутворення, якими можуть слугувати мікрошорсткості поверхні нагріву, адсорбовані поверхнею пузирчики газу і тверді частинки. У промислових пристроях кипіння може відбуватися в умовах спрямованого руху рідини (природна або примусова циркуляція, наприклад, у паротвірних трубах котельних агрегатів) або в умовах природної конвекції на поверхні нагріву, яка занурена у рідину (кипіння у великому об’ємі). В обох випадках спостерігаються два відмінні за механізмом перенесення теплоти режими кипіння: пузирковий та плівковий.

При пузирковому режимі кипіння парова фаза утворюється у вигляді окремих парових пузирчиків, які періодично зароджуються у центрах пароутворення. Температура рідини поблизу поверхні нагріву при кипінні перевищує температуру насичення. Максимальне перегрівання рідини дорівнює температурному напору .

Збільшення перегріву рідини призводить до зменшення мінімального радіуса пузирчика і до появи все більшої кількості діючих центрів пароутворення за рахунок додаткового включення до процесу шорсткостей менших розмірів. Паровий пузирчик, що зароджується, зростає внаслідок підведення теплоти до відривного діаметра , потім відривається від поверхні нагріву і спливає, захоплюючи за собою деяку кількість рідини з пристінної області до основного об’єму. Простір, який звільняється на поверхні нагріву, заповнюється рідиною і в центрі пароутворення знову зароджується паровий пузирчик.

Цей процес періодично повторюється з визначеною частотою – частотою відриву парового пузирчика . Висока інтенсивність тепловіддачі при кипінні пов’язана з турбулізацією пристінного шару рідини паровими пузирчиками і, що особливо важливо, з масообміном у киплячій рідині – відведенням теплоти пароутворенням і перенесенням її разом з паровою фазою у об’єм рідини. Величина характеризує середню швидкість зростання парових пузирчиків.

Інтенсивність тепловіддачі при пузирковому кипінні практично не залежить від форми і розмірів поверхні нагріву. Значний вплив на теплообмін має шорсткість поверхні, її матеріал, змочуваність, кількість адсорбованих газів та інше. Вплив усіх цих факторів виявляється в основному за рахунок зміни кількості центрів пароутворення.

При плівковому режимі кипіння на поверхні нагріву утворюється парова плівка, яка відокремлює її від маси рідини. Теплота до рідини підводиться крізь плівку в основному шляхом теплопровідності. Теплопровідність пари значно менше, ніж рідини. Тому інтенсивність теплообміну при плівковому кипінні у десятки разів нижче, ніж при пузирковому.

Найбільш простим та, разом з тим, важливим для установлення загальних закономірностей є кипіння у великому об’ємі при вільному русі рідини. На рис.7.1 зображені залежності коефіцієнта тепловіддачі і поверхневої густини теплового потоку від температурного напору при кипінні води в цих умовах при атмосферному тиску.

При невеликому перегріві в області початкової ділянки кривої до точки А (для води оС) відведення теплоти здійснюється в основному вільною конвекцією. Нагріта рідини спливає до вільної поверхні розділу фаз і охолоджується за рахунок випаровування.

Зі збільшенням перегріву починається пузиркове кипіння: кількість центрів пароутворення зростає, що призводить до збільшення коефіцієнта тепловіддачі. У точці К коефіцієнт тепловіддачі сягає максимального значення, після чого настає криза кипіння, яка полягає у корінній зміні механізму тепловіддачі. Відповідні значення і називаються критичними. Для води, що кипить при атмосферному тиску, оС; МВт/м2, кВт/(м2 К). Значення цих величин залежить від тиску.

В області кількість центрів пароутворення стає настільки великим, що на поверхні нагріву утворюється суцільний паровий шар, що відтискає рідину від нагрітої стінки, і настає плівковий режим кипіння. Область КВ характеризується утворенням нестійкої парової плівки, правіше точки В плівкове кипіння стає стійким. Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі в області стійкого плівкового кипіння дорівнює 1,2 кВт/( м2 К), а температурний напір може сягати 700 … 1000 оС. Деяке збільшення в області пояснюється перенесенням теплоти через парову плівку випромінюванням.

Рис. 7.1. Залежність коефіцієнта тепловіддачі та густини теплового потоку від температурного напору при кипінні води у великому об’ємі

Поступовий перехід пузиркового режиму у плівковий, який здійснюється на ділянці КВ, практично реалізується при обігріванні поверхні кипіння парою, що конденсується. У цьому випадку температура поверхні , а отже, і перегрів рідини визначається тиском пари і від процесу кипіння не залежить. Якщо при підведенні теплоти незалежною величиною є густина теплового потоку, то різке підвищення температурного напору відбувається по штриховій лінії CD. Такий випадок практично можливий на радіаційних поверхнях нагріву парових котлів або при електричному обігріванні, а перехід від пузиркового кипіння до плівкового може супроводжуватися перегріванням і руйнуванням поверхні нагріву.

Тепловіддача при пузирковому кипінні у великому об’ємі. Внаслідок складності характеру процесу пузиркового кипіння, а також впливу поверхневих умов задача узагальнення даних з тепловіддачі викликає значні труднощі. У практичних розрахунках для води в інтервалі тисків (1 … 40)105 Па можна використати емпіричні залежності:

; (7.1)

, (7.2)

де і – відповідно у Вт/м2 і у бар.

Залежності для інших рідин можна знайти у спеціальній літературі.

Тепловіддача при вимушеній конвекції киплячої рідини у трубах. При вимушеній течії рідини у трубах на інтенсивність теплообміну впливає співвідношення власно процесу пароутворення і вимушеної конвекції. Якщо швидкість вимушеної течії рідини мала, інтенсивність тепловіддачі визначається головним чином наявністю діючих центрів пароутворення. При великих значеннях вимушена течія стримує вплив кипіння. Значення коефіцієнта тепловіддачі при вимушеній конвекції киплячої рідини у трубах рекомендується визначати в залежності від співвідношення між коефіцієнтом тепловіддачі , що розрахований за формулами (7.1) або (7.1) для кипіння рідини без урахування впливу її вимушеної течії, і коефіцієнтом тепловіддачі , що розрахований за формулами конвективного теплообміну при вимушеній течії однофазної рідини у трубах. Якщо , , а якщо , . В інтервалі слід користуватися інтерполяційним співвідношенням

. (7.3)

Краплинна та плівкова конденсація пари. Режими течії плівки конденсату. Пара конденсується, тобто переходить в рідкий стан, на поверхні теплообміну, температура якої нижча за температуру насичення , віддаючи поверхні теплоту пароутворення. Розрізняють краплинну конденсацію, коли рідина (конденсат), що утворюється, не змочує поверхню і скочується у вигляді окремих крапель, наприклад ртуть на сталевій стінці, і плівкову конденсацію, коли конденсат змочує поверхню і утворює суцільну плівку (рис. 7.2, а). Плівкова конденсація зустрічається значно частіше. При краплинній конденсації тепловіддача може бути значно вище, ніж при плівковій, бо плівка конденсату створює великий термічний опір передачі теплоти від пари до стінки.

Рис. 7.2. Характер течії конденсату на вертикальній поверхні (а) і розподіл коефіцієнта тепловіддачі по висоті (б)

У верхній частині товщина плівки мала і режим її течії ламінарний. Кількість конденсату, що стікає по поверхні, поступово збільшується, внаслідок чого товщина плівки зростає (див рис. 7.2, а). На поверхні плівки виникають капілярні хвилі, що зменшують її середню товщину (ламінарно-хвильова течія). Перехід від ламінарної течії до турбулентної визначається критерієм Рейнольда для плівки , де – середня швидкість плівки у перерізі, що розглядається; – товщина плівки; – коефіцієнт кінематичної в’язкості конденсату. Тут в якості характерного розміру прийнятий еквівалентний діаметр плівки , де – ширина поверхні. Експериментальні дані показують, що при конденсації нерухомої пари на вертикальній поверхні найбільш ймовірне значення критичного числа Рейнольда . При конденсації число Рейнольда може бути виражено через теплообмінні характеристики процесу

, (7.4)

де Н – висота поверхні; – теплота пароутворення; – коефіцієнт динамічної в’язкості конденсату.

Тепловіддача при конденсації. Формула Нусельта. Інтенсивність теплообміну при конденсації визначається термічним опором плівки конденсату. По нормалі до ламінарної плівки теплота передається теплопровідністю, а через плівку, що стікає турбулентно, – ще й турбулентними пульсаціями.

Аналітичне рішення для розрахунку локального коефіцієнта тепловіддачі при конденсації сухої насиченої нерухомої пари на вертикальній поверхні і ламінарній течії плівки, яке одержав В. Нусельт у 1916 р., має вигляд

(7.5)

де і – густина відповідно конденсату і пари; – коефіцієнт теплопровідності конденсату; x – координата точки.

З формули (7.5) видно, що інтенсивність тепловіддачі зменшується по мірі стікання конденсату через зростання товщини його плівки (див рис. 7.2, б). Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі на поверхні висотою Н

(7.6)

Вздовж поверхні, нахиленої під кутом до вертикалі, конденсат стікає повільніше, товщина плівки зростає, а коефіцієнт тепловіддачі, у відповідності до формули , зменшується, тобто

. (7.7)

Для горизонтальної труби кут – змінна величина. Інтегруванням можна одержати формулу для розрахунку середнього по периметру горизонтальної труби коефіцієнта тепловіддачі:

, (7.8)

де – діаметр труби.

Теплофізичні параметри конденсату у формули слід підставляти при температурі насичення . Для урахування залежності теплофізичних параметрів конденсату від температури значення , які розраховані за формулами (7.6) і (7.8), слід помножити на поправку

, (7.9)

де і вибирають при температурі насичення , а і – при температурі стінки .

Для урахування хвильової течії плівки конденсату на вертикальній поверхні значення , які розраховані за формулою (7.6), слід помножити на поправку

, (7.10)

де – число Рейнольда плівки конденсату (див формулу (7.4)).

При значеннях , бо хвильова течія плівки відсутня. По мірі зростання витрати рідини у плівці збільшується. Наприклад, при ; при .

Рівняння для розрахунку тепловіддачі при плівковій конденсації можна представити у безрозмірному вигляді. Так формула Нусельта (7.5) з урахуванням поправки на хвильову течію плівки запишеться у виді

, (7.11)

де число визначається за формулою (7.4); – приведена висота вертикальної поверхні. Формула дійсна, якщо . Відповідне критичне значення приведеної висоти .

При визначенні середнього коефіцієнта тепловіддачі для вертикальної поверхні у випадку, коли , ураховується, що у верхній її частині течія плівки ламінарна, а у нижній – турбулентна (змішаний режим течії плівки). Розрахункова формула при цьому має вид

, (7.12)

де всі фізичні властивості вибираються за температурою насичення .

Вплив різних факторів на теплообмін при конденсації. Отримані формули справедливі при конденсації чистої нерухомої насиченої пари на чистій поверхні. Тому при визначенні коефіцієнта тепловіддачі необхідно ураховувати ряд додаткових обставин.

При конденсації перегрітої пари у формули для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі замість теплоти фазового переходу слід підставляти значення , де і – ентальпії перегрітої і насиченої пари відповідно. За різницю температур при цьому як і раніше приймається .

Якщо поверхня шорстка або вкрита шаром окислу, то внаслідок додаткового опору течії товщина плівки збільшується, а коефіцієнт тепловіддачі зменшується.

При наявності у парі газів (наприклад, повітря), що не конденсуються, тепловіддача при конденсації сильно знижується. Це відбувається тому, що на холодній стінці конденсується тільки пара, а повітря залишається. При відсутності конвекції з часом повітря накопичується біля стінки і створює значну перешкоду надходженню пари до стінки. Вміст у парі навіть 1 % повітря зменшує коефіцієнт тепловіддача на 60 %. Тому при роботі конденсаторів повітря необхідно постійно відсмоктувати. Вплив газів, що не конденсуються, на тепловіддачу при конденсації зменшується у разі, коли поверхня обдувається потоком пари, оскільки при цьому молекули газу зносяться потоком пари і не встигають накопичуватися біля плівки конденсату.

При значних швидкостях потік пари справляє динамічний вплив на плівку конденсату. Якщо рух пари збігається з напрямком течії плівки, потік пари прискорює рух конденсату у плівці, її товщина зменшується, і коефіцієнт тепловіддачі зростає. При русі пари у зворотному напрямку течія плівки гальмується, її товщина збільшується, а коефіцієнт тепловіддачі зменшується. Але при значному збільшенні швидкості пари плівка конденсату може захоплюватися уверх і частково зриватися з поверхні. При цьому коефіцієнт тепловіддачі знову зростає.

При проектуванні конденсаційних пристроїв слід приділяти увагу правильному компонуванню поверхонь нагріву. Тепловіддача на горизонтальних трубах має більшу інтенсивність, ніж на вертикальних, бо у першому випадку товщина плівки конденсату менше. Однак це справедливо лише для однієї трубки або для верхнього ряду у пучку. Коефіцієнт тепловіддачі від пучка труб нижчий, ніж від одиночної труби, оскільки товщина плівки конденсату на нижніх трубах збільшується за рахунок стікання його з верхніх труб. На вертикальних трубах тепловіддачу можна збільшити шляхом установлення по висоті труби ковпачків для відведення конденсату. Збільшення тепловіддачі можна отримати подаванням пари у виді тонких струминок, які рухаються з великою швидкістю і руйнують плівку конденсату.

Теплообмін при зміні агрегатного стану