Теплоносителей

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 е_t 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 R_кр, выраженного через основные физические свойства кипящего теплоносителя (изобарную теплоемкость с_р, плотности масс паровой _п и жидкой _ж фаз, поверхностное натяжение , теплоту фазового превращения r_п и температуру кипения Т_кип; 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=0,4q_кр и р_абс=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