ТЕПЛООБМЕН ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ
Особенность процессов теплообмена при испарении, конденсации, кристаллизации и плавлении заключается в том, что теплота подводится или отводится от веществ при постоянной температуре и распространяется в двух фазах. На рис. 9.3 представлены схемы изменения температур теплоносителей при изменении агрегатного состояния в результате теплоотдачи. Эти особенности теплоотдачи учитываются введением в критериальные уравнения конвективного теплообмена критерия фазового превращения , где г — теплота парообразования; с — удельная теплоемкость. Этот критерий характеризует отношение теплоты, расходуемой на изменение агрегатного состояния вещества, к теплоте перегрева или переохлаждения одной из фаз относительно температуры фазового превращения.
Рис. 9.3. Схемы изменения температур теплоносителей при изменении агрегатного состояния:
а – горячий теплоноситель отдает теплоту при изменении агрегатного состояния (насыщенный водяной пар при конденсации); б – оба теплоносителя обмениваются теплотой при изменении агрегатного состояния (насыщенный водяной пар отдает теплоту кипящей жидкости).
Величина t представляет собой разность между температурой фазового превращения и температурой одной из фаз; произведение с t является теплотой перегрева или переохлаждения вещества относительно температуры фазового превращения.
Для описания теплообмена при конденсации водяного пара используется критериальное уравнение, полученное на основе теории подобия,
(9.39)
где: Ga=gl3/v2 - критерии Галилея; К – критерии фазового превращения
Экспериментальным путем получены конкретные уравнения. Для пленочной конденсации пара при ламинарном стекании пленки по пучку вертикальных труб Nu=c(Pr, К, Ga)0,25
(9.40)
где: r – теплота конденсации, Дж/кг; – плотность конденсата, кг/м3; - теплопроводность конденсата, Вт/(м*К), - динамический коэффициент вязкости конденсата, Па*с; - разность между температурой насыщенного пара и температурой стенки, ºС; Н – высота вертикальной трубы или стенки, м
Значение скрытой теплоты конденсации r вычисляют при температуре конденсации, а параметры конденсата , и , — при средней температуре пленки конденсата .
В случае конденсации пара по горизонтальной трубе формула (9.40) будет иметь вид
где: D – внешний диаметр трубы
Если пар конденсируется на пучке горизонтальных труб, то для вычисления усредненного коэффициента теплоотдачи используют уравнение
(9.41)
где: - коэффициент, зависящий от расположения труб (коридорное или шахматное расположение).
В расчетах можно принимать еt от 0,55 до 0,68.
Теплоотдача при кипении жидкостей является особенно сложным процессом. В практике наиболее часто встречается пузырьковый режим кипения. Исходя из представления о турбулизирующем влиянии пузырьков пара, которое определяет кинетику теплоотдачи, предложено для расчета коэффициента теплоотдачи уравнение
где: ; здесь l – характерный (модифицированный) линейный размер, являющийся параметрической функцией критического лапласовского радиуса пузыря Rкр, выраженного через основные физические свойства кипящего теплоносителя (изобарную теплоемкость ср, плотности масс паровой п и жидкой ж фаз, поверхностное натяжение , теплоту фазового превращения rп и температуру кипения Ткип; w – средняя скорость движения паровой фазы; w определяется по удельной тепловой нагрузке и объемной теплоте фазового превращения.
Диаметр пузырька составляет 2...3 мм и определяется по формуле
Из последнего критериального уравнения для пузырькового режима кипения в условиях естественного и вынужденного движения получено уравнение
где: а – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К), - безразмерный коэффициент, полученный в результате обобщения большего количества экспериментальных данных, - коэффициент кинематической вязкости, м2/с, - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м
Для пузырькового режима кипения в условиях естественной конвекции предложено уравнение для α [в Вт/(м2*К)]
(9.42)
где: - плотности соответственно пара и жидкости, кг/м3; - поверхностное натяжение на границе раздела между жидкостью и паром, Н/м; - теплопроводность жидкости, Вт/(м*К); - удельная нагрузка, Вт/м2; - динамическая вязкость, Н*с/м2; - удельная теплоёмкость жидкости, Дж/(кг*К); - температура насыщения, К
Формула (9.42) получена путем обобщения большого количества экспериментальных данных по теплообмену при кипении воды, сахарных растворов и некоторых органических жидкостей на стальных, медных, латунных и хромированных поверхностях.
Для приближенного расчета коэффициента теплоотдачи можно использовать формулу для воды при кипении в большом объеме
;
где; p – давление, кгс/см2
Формулу можно применять при q=0,4qкр и рабс=0,2...10 кгс/см2. Ниже приведены ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи для наиболее распространенных процессов теплообмена.
Процесс теплообмена Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2*К)
Нагревание и охлаждение газов
(атмосферное давление) 10…50
Нагревание и охлаждение органических
жидкостей 50…1500
Нагревание и охлаждение воды 200…10000
Кипение воды 500…10000
Конденсация водяных паров 4000…15000
Конденсация паров органических жидкостей 500…2000