Теплоотдача при кипении жидкости

Кипение - процесс возникновения паровой фазы внутри перегретой жидкости или на греющей стенке.

Перегрев жидкости - превышение ее температуры t_ж над темпе­ратурой насыщения t_s при данном давлении.

При кипении жидкости в большом объеме в зависимости от температурного напора ∆t=t_c - t_s или плотности теплового потока q на поверхности греющей стенки различают пузырьковый и пленочный режимы кипения. Максимальная тепловая нагрузка при пузырьковом режи­ме кипения называется первой критической плотностью q_кр1 теплового потока.

Процесс кипения жидкости, движущейся в канале или трубе, характеризуется рядом особенностей. В зависимости от скорости движе­ния жидкости, ее теплофизических свойств, давления, диаметра и дли­ны трубы, расположения ее в пространстве различают несколько ре­жимов течения, например пузырьковый, снарядный, эмульсионный, дис­персно-кольцевой, расслоенный.

9.1. Пузырьковое кипение в большом объеме

Для пузырькового кипения в условиях естественной конвекции, в качестве определяющей принимают температуру насыщения t _s. Теп­лоотдача рассчитывается для следующих двух случаев:

1) задана тепловая нагрузка q, Вт/м²:

(9.1.)

(9.2.)

2) задан температурный напор ∆t= t_c - t_s:

(9.3.)

(9.4)

Здесь;

r - теплота парообразования, Дж/кг; T_s - температура насыщения, К; - теплопроводность, кинематическая вязкость, температуропроводность, удельная теплоемкость и поверхностное натяжение жидкости; ρ_ж и ρ _п - плотность жидкости и пара.

Формулы (9.1) - (9.4) пригодны при условии Re_s=10^-5÷10⁺⁴; Pr_s=0,86÷7,6; давление р=4500÷175*10⁵ Па;

Для воды значения l_s, A_s, B_s приведены в табл. 15 приложения. Средний коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении воды

(9.5)

где - давление насыщения, МПа; q - плотность теплового потока, Вт/м²; формула применима при = 0,1÷20 МПа.

Первая критическая плотность теплового потока при пузырьковом кипении чистых неметаллических жидкостей на горизонтальных трубах и плитах

(9.6)

9.2. Пузырьковое кипение в трубах при вынужденной конвекции

При объемном паросодержании до 70 % теплоотдача при кипении характеризуется как конвекцией однофазной среды, так и процессом парообразования (двухфазное состояние). При малых тепловых нагруз­ках большее влияние оказывает конвекция однофазной жидкости, при больших - парообразование.

Коэффициент теплоотдачи α_тр при вынужденном течении кипящей жидкости в трубах можно определить следующим образом: если α_к / α_ж ≤ 0,5, то

(9.7)

где - коэффициент теплоотдачи однофазной жидкости при турбу­лентном режиме течения, определяется по формуле (6.18); - коэф­фициент теплоотдачи при пузырьковом кипении, определяется по фор­мулам (9.1) - (9.4);

α_к / α_ж ≥ 2, то

(9.8)

α_к / α_ж = 0,5÷2, то

(9.9)

Для воды формулы (9.7) - (9.8) пригодны при давлении p = 0,02÷20 МПа и объемном паросодержании β <70 %.

9.3. Пленочное кипение в большом объеме

Коэффициент теплоотдачи определяется из формулы

(9.10)

Где

Значения С и п определяются следующим образом:

для вертикальной поверхности

определяющая температура t_s;

для горизонтальной плоской поверхности

С=0,672, n=0,25, если Ra_l,<10⁷, и

С = 0,012, n = 0,5, если Ra_l >10⁷;

определяющая температура t= 0,5(t_c+ t_s)

для боковой поверхности горизонтальной круглой трубы с наруж­ным диаметром d

C=0,59+0,069l/d; n=0,25;

определяющая температура t= 0,5(t_c+ t_s)

9.4. Задачи

9.1. На поверхности провода электрокипятильника происходит пу­зырьковое кипение воды в большом объеме при давлении 1,43*10⁵ Па. Диаметр провода 3 мм, а удельное электросопротивление 1,1х10^-6 Ом*м. Определить наибольшую силу тока, пропускаемого через электрокипятильник, считая перегрев воды 20 °С. Определить критиче­скую тепловую нагрузку для данных условий.

9.2.Вода в большом объеме кипит на трубах испарителя, имею­щих на поверхности температуру 180 °С. Давление воды 0,792 МПа, наружный диаметр труб 40 мм, длина 1,3 м, количество труб 50 шт. Найти коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении и тепловой поток от труб к воде. Определить, во сколько раз изменится коэффи­циент теплоотдачи, если температура стенки труб увеличится до 200°С,

9.3.Вода под давлением 15*10⁵ Па кипит в большом объеме. Плот­ность теплового потока, подводимого к воде, равна 1,25*10⁶ Вт/м². Рассчитать коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в условиях свободного движения и найти его по графику рис. П.11.

9.4.Из воды, кипящей в большом объеме при давлении 3,61*10⁵Па,
необходимо получить 500 кг/ч сухого насыщенного пара. Найти
необходимую для этого поверхность нагрева, если температура поверх­ности нагревателя 151°С.

9.5.Плотность теплового потока с поверхности нагрева при кипе­нии воды равна 3,34*10⁵ Вт/м², а температура кипящей воды 195°С. Найти температуру поверхности нагрева в условиях пузырькового ки­пения в большом объеме при свободном движении.

9.6.Определить количество сухого насыщенного пара, получаемого с поверхности нагрева 4 м² при пузырьковом кипении в большом объ­еме, если манометр на испарителе показывает давление 22,2*10⁵ Па, а перегрев воды составляет 8°С.

9.7.При давлении 15,55*10⁵ Па в трубе происходит пузырьковое кипение воды, которая движется со скоростью 2,2 м/с. Температура на стенке трубы 213°С. Длина трубы 2 м, диаметр 34X2 мм. Найти теп­ловой поток, передаваемый от стенки к воде.

9.8.В трубе диаметром 23x1,5 мм происходит кипение воды, на­ходящейся под давлением 23,2*10⁵ Па. Скорость воды 2,5 м/с, темпе­ратура на внутренней поверхности трубы 227 "С. Определить коэффи­циент теплоотдачи от стенки трубы к воде.

9.9.На горизонтальной плоской поверхности происходит пленочное кипение воды при давлении 0,27 МПа. Температура поверхности 470 °С. Вычислить коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.

9.10.Определить плотность теплового потока на поверхности вер­тикальной трубы наружным диаметром 20 мм и длиной 500 мм, где происходит пленочный режим кипения воды. Давление воды 0,143 МПа, температура стенки трубы 440 °С.

9.11.Найти коэффициент теплоотдачи при пленочном режиме ки­пения воды на наружной поверхности горизонтальной трубы диамет­ром 10 мм. Температура насыщения 130°С, температура поверхности трубы 370 °С.

Глава десятая