Исследование теплоотдачи при кипении

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ

 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы при изучении дисциплины «Тепломассообмен»

 

Иваново 2013

Составители: В.В. БУХМИРОВ

А.К. ГАСЬКОВ

 

М.Г. СУЛЕЙМАНОВ

 

Редактор         Т.Е. СОЗИНОВА

 

 

Методические указания содержат задание на выполнение работы, основные теоретические сведения об исследуемом процессе, описание экспериментальной установки и оборудования. В методических указа-ниях также приведены: порядок проведения опытов, алгоритм обработ-ки полученных данных и представления результатов, а также вопросы для подготовки к отчету по работе в целом.

 

Предназначены для выполнения студентами лабораторной работы «Исследование теплоотдачи при кипении».

 

Лабораторная работа выполняется в соответствии с рабочими про-граммами курсов «Тепломассообмен», «Теплотехника» и «Теоретиче-ские основы теплотехники».

 

 

Методические указания утверждены цикловой методической комис-сией ТЭФ

 

Рецензент

 

кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

 

 

2

	СОДЕРЖАНИЕ
ЗАДАНИЕ		4
ОСНОВЫ ТЕОРИИ		4
Введение		4
1. Теплоотдача при кипении		6
1.1. Уравнение теплоотдачи		6
1.2. Коэффициент теплоотдачи		6
1.3. Режимы кипения (теплоотдачи)		7
1.3.1. Пузырьковый режим		7
1.3.2. Первый кризис кипения. Переходный режим		9
1.3.3. Второй кризис кипения. Пленочный режим		9
2.	Построение функциональной модели
	методом наименьших квадратов	9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА		12
1.	Постановка задачи исследования	12
2.	Описание экспериментальной установки	12
3.	Меры безопасности	14
4.	Порядок проведения опыта	15
5.	Обработка опытных данных	16
6.	Определение функциональной зависимости α=f(q)	17
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ		18
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК		19

 

3

ЗАДАНИЕ

 

1. Определить коэффициенты теплоотдачи (a) при пузырьковом кипе-нии воды на поверхности горизонтальной медной трубки, обогревае-мой электрическим током, при различных тепловых нагрузках (q).

2. Установить зависимость a=f₁(q).

3. Установить зависимость a=f₂(DT_w).

 

4. Подготовить отчет, включающий схему экспериментальной установ-ки, журнал наблюдений, протокол (таблицу) с результатами обработки данных, график a=f₁(q) с нанесенными опытными точками, выкладки по определению аналитических зависимостей.

 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

 

Введение

 

Теплообмен –это самопроизвольный необратимый процесс переда-чи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой, обусловленный различием их температур.

 

Существуют следующие элементарные виды теплообмена: тепло-проводность, конвекция теплоты и тепловое излучение.

 

Сочетание теплопроводности и конвекции, наблюдаемое в жидко-стях, называют конвективным теплообменом.

 

Если конвективный теплообмен происходит между поверхностью и жидкостью, омывающей эту поверхность, то такой вид теплообмена называют конвективной теплоотдачей.

 

В зависимости от фазового состояния жидкости различают теплоот-

дачу в однофазной среде и теплоотдачу при фазовых превращениях,

 

например при конденсации (переход пара в жидкость) и кипении (пе-реход жидкости в пар).

 

Кипением называется процесс образования пара внутри объемажидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.

 

При конвективной теплоотдаче кипение происходит около нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит свободная конвекция жидкости в «неограниченном» пространстве, то процесс называют «теплоотдачей при кипении в большом объеме». Объем считается большим (неограниченным), если изменение его раз-меров не влияет на процесс теплообмена между жидкостью и стенкой. В противоположность этому процесс называют «теплоотдачей при кипе-нии в ограниченном объеме», например при кипении жидкости в тру-бах.

 

4

	а)		б)
			Tн=100^0C
X,м	2	3
	G п		Tпов.f=100,4	0	С

 

4

 

T_f(х)

 

1	5	Tf(х)
		Tw
		δ

 

 

Q

 

 

Y,м		100	104	108	112 T,^0C

 

T_w

 

 

Рис.1. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T_w=111,8⁰C, p_н=1 бар):

 

а – картина процесса кипения; б – распределение температуры; 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; T_пов.ж – температура поверхности жидкости; T_w – температура поверхности теплообме-на (стенки); T_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении; p_н – давление насыщения; δ – толщина пограничного слоя; Q – тепловой поток от стенки к воде; G_п – массовый расход образовавшегося пара

 

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется темпера-турное поле (рис.1,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

 

В температурном поле можно выделить две характерные области. Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,при-

 

легающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.1).

 

Тепловое ядро потока –вся остальная жидкость за пределами теп-лового пограничного слоя.

 

5

f, max

Теплоотдача при кипении

 

Уравнение теплоотдачи

 

При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи, исполь-зуют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между температурным напором «стенка – жидкость» и тепловым пото-ком через поверхность теплообмена:

 

	Q = a ×(Т w - Т н)× F	(1)
или	Q = a ×D Т w × F,	(2)
или	q = a ×D Т w,	(3)

 

где Q – тепловой поток, Вт; q=Q/F – поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²; F – поверхность теплообмена (стенки), м²; a – средний по поверхности F коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); Т_w – температура поверхности теплообмена (стенки), ⁰С; Т_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении, ⁰С.

 

При этом в качестве температурного напора выступает перегрев стенки (см. рис. 1):

 

D Т w = Т f , max= Т w - Т н,

(4)

 

где DT    – максимальный перегрев жидкости, ⁰С.

 

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверх-ности теплообмена и температурному напору DT_w между стенкой и жидкостью.

 

Коэффициент теплоотдачи

 

Коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м ² К),–это коэффициент про-порциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи.

 

Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от боль-шого числа различных факторов: а) физических свойств жидкости; б) чистоты жидкости; в) ее температуры и давления; г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообме-на; д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности; е) величины перегрева жидкости и т.п. Поэтому определение коэффици-ента теплоотдачи при кипении – весьма трудная задача.

 

6

Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по по-верхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:

 

a =	Q		,	(5)
	D Т w
		× F

 

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при темпера-турном напоре в 1⁰C (1 К).

 

Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на основе экспериментального определения величин Q, F и DT_w.

 

Пузырьковый режим

 

Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорциона-лен размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначи-тельном перегреве жидкости, «работают» лишь крупные центры паро-образования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют ра-диус меньше критического. С увеличением перегрева жидкости активи-зируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.

 

В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро уве-личивается (рис.2, область 2). Коэффициент теплоотдачи (a) достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м²К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интен-сивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пу-зырьками пара.

 

Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов кон-струкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

 

Теплоотдача при пузырьковом режиме пропорциональна количеству действующих центров парообразования и частоте отрыва пузырей, ко-торые, в свою очередь, пропорциональны максимальному перегреву

 

7

DT_w жидкости и давлению p_н. В силу этого средний коэффициент теп-лоотдачи может быть рассчитан по формуле вида

 

a = С ×D Т ^n	× p ^z	(6)
1 w	н

 

или после подстановки условия (3) в виде DT_w=q/a получим

 

a = С 2× q ^m × p н ^k

(7)

 

где C₁, C₂, k, z, m, n – эмпирические постоянные; DT_w – перегрев стенки, ⁰С; р_н – давление насыщения (внешнее давление жидкости), бар; q – по-верхностная плотность теплового потока, Вт/м².

 

Формулу (6) используют в расчетах пузырькового кипения при гра-ничных условиях первого рода. В этом случае регулируемой (заданной) величиной является температура стенки и, следовательно, перегрев жидкости (4), а формулу (7) применяют в расчетах кипения при гранич-ных условиях второго рода (регулируемая (заданная) величина – плот-ность теплового потока (q) на поверхности стенки).

 

lg(q)
lg(a)	кр1	q(DT)
^qкр1		w
		aкр1

 

^qкр2				кр2	a(DT)
				^aкр2
					w
1	2		3	4	5
	D	T		^D ^Tкр2	lg(	T)
		кр1				D w

Рис. 2. Кривые теплоотдачи при кипении:

 

1 – конвективная область без кипения; 2 – область пузырькового кипения; 3 – переходная область; 4 – область пленочного кипения; 5 – участок пленочного кипения со значительной долей передачи тепла излучением; кр1, кр2 – соответ-ственно точки первого и второго кризисов кипения

 

8

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

 

Меры безопасности

1. Перед включением установки инженер (лаборант) проверяет уро-вень воды в водоподогревателе и в стеклянной ёмкости.

 

2. Включение стенда производится ИНЖЕНЕРОМ ИЛИ ПРЕПОДА-ВАТЕЛЕМ, ведущим занятие.

3. Температура воды в установке должна быть на 2÷3 ⁰С ниже темпе-ратуры кипения (насыщения).

 

4. Категорически запрещается снимать верхнюю крышку установки и вынимать боковое защитное стекло во избежание касания токопро-водящих элементов.

 

5. Все действия с лабораторным автотрансформатором производить под наблюдением инженера или преподавателя.

 

 

14

Порядок проведения опыта

 

Эксперимент выполняется только в присутствии инженера или пре-подавателя в следующем порядке.

 

1. Включить тумблер электропитания установки 1 (см. рис. 4), а также измеритель температуры 2.

 

2. Включить водоподогреватель 9, повернув ручку регулятора мощно-сти 6 по часовой стрелке на ½ оборота.

3. После нагрева воды в стеклянной ёмкости до температуры 60÷70 ⁰С (через 30÷40 мин.) выключить водоподогреватель. Процесс нагрева воды контролируется по первому каналу измерителя температуры 2, к которому подключена термопара 11.

 

4. Переключатель мультиметра 5 установить на измерение переменно-го напряжения. Переключить тумблер 4 на измерение напряжения на нагревательном элементе U_н.

5. Установить выходное напряжение на лабораторном автотрансфор-маторе 7 около 150 В, пользуясь показаниями мультиметра.

6. Переключить тумблер 4 в положение U₀ и зарегистрировать значе-ние напряжения на образцовом сопротивлении U₀.

 

7. Записать в журнал наблюдений (табл. 1): а) показания мультиметра U_н и U₀;

 

б) температуру воды (первый канал измерителя температуры) и тем-пературы стенки опытной трубки (второй и третий каналы измери-теля температуры).

Таблица 1

 

Журнал наблюдений

	№ п/п	Uн, В	U0, В	T1=Tf, ^0С	T2=Tw1, ^0С	T3=Tw2, ^0С
	1
	2
	3
	4

 

8. Измерение температуры поверхности опытной трубки повторять через каждые 5÷10 мин до достижения стационарного режима теп-лоотдачи, при котором значения температур стенки практически пе-рестанут изменяться во времени.

 

9. Во время опыта через смотровое окно наблюдают за интенсивно-стью образования пузырьков пара на поверхности опытной трубки.

 

10. Переключить тумблер 4 в положение U_н. Вращая рукоятку лабора-торного автотрансформатора, установить следующее значение на-пряжения в диапазоне 150÷200 В.

 

15

11. Повторить опыты, следуя указаниям пунктов 6–10, для 3 или 4 ре-жимов, соответствующих разным значениям U_н.

 

 

Обработка опытных данных

 

Для каждого опыта определить и занести в таблицу (табл. 2) сле-дующие величины.

 

1. Тепловой поток, отводимый от поверхности трубки к воде путем теплоотдачи при кипении, Вт,

 

Q = N _н = I _н × U _н = ^{U 0}× U _н,                                (15)

R

0

 

2. Плотность теплового потока на поверхности трубки, Вт/м²,

 

q =	Q	,	(16)
	F

 

где F=π·d·L – площадь поверхности теплообмена трубки с жидкостью, м²; d – наружный диаметр трубки, м; L – длина трубки, м.

 

3. Среднюю температуру поверхности стенки, ⁰С,

 

Т w =	Т 2+ Т 3	,	(17)
	2

 

где T₂ и T₃ – температуры стенки опытной трубки, ⁰С.

4. Температурный напор между стенкой и жидкостью, ⁰С,

 

D T w = Т w - Т f

(18)

где T_f – температура насыщения жидкости при заданном давлении, ⁰С.

 

5. Коэффициент теплоотдачи при кипении, Вт/(м²К),

 

a =	q	(19)
	D Т w

 

6. lg(q) – логарифм плотности теплового потока.

7. lg(α) – логарифм коэффициента теплоотдачи.

 

16

Затем следует построить систему логарифмических координат lg(α)-lg(q) и нанести на ней опытные точки {lg(q)_i; lg(α)_i}.

 

Таблица 2

Результаты расчета

	№	Q	q	Tw	Tf	Tw	α	lg(q)	lg(α)
	п/п	Вт	Вт/м^2	0С	0С	0С	Вт/(м^20С)	-	-
	1
	2
	3
	4

 

6. Определение функциональной зависимости α=f(q)

 

Определяемую нелинейную зависимость (14) удобно представить в логарифмических координатах, где она принимает вид прямой линии:

 

lg a = lg B + m ×lg q,

(20)

 

что равносильно уравнению (8), где y = lg(α); b = lg(В); k = m; x = lg(q). Это позволяет определить функциональную зависимость α=f(q) ме-

 

тодом наименьших квадратов, рассчитав коэффициенты b и k по фор-мулам (10), (11) и (12).

 

Расчет коэффициентов удобно вести, заполняя таблицу (табл. 3.) Таблица 3

Определение функциональной зависимости α=f(q)

 

	i	xi=	xi=	(Δxi)^2	yi =	yi=	xi ·Δyi
		lg(qi)	xi-xср		lg(αi)	yi-yср
	1
	2
	3
	4
	Σ
	Ср.		-	-		-	-

 

Определив значения коэффициентов b и k, в системе логарифмиче-ских координат lg(α)-lg(q) построить прямую линию по найденному уравнению (20), а также восстановить уравнение α=f(q) по выражению (14). Заметим, что коэффициенты «m» и «В» в формуле для расчета ко-эффициента теплоотдачи (14) определяются как m = k, а В=10^b.

 

Уравнение для расчета α при граничных условиях первого рода (13) получают подстановкой выражения (3) в найденное уравнение (14).

 

17

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте определение понятий конвекция, конвективный теплообмен, конвективная теплоотдача.

 

2. Чем отличается конвективная теплоотдача при кипении от конвек-тивной теплоотдачи в однофазной среде?

 

3. Какой вид теплообмена исследуется в данной работе?

4. Дайте определение процесса кипения.

 

5. Что такое теплоотдача при кипении в большом объеме?

 

6. Что такое центры парообразования? Назовите стадии парообразова-ния.

 

7. Что такое критический радиус пузырька?

 

8. Напишите формулу расчета теплового потока при пузырьковом ки-пении в большом объеме и поясните входящие в неё величины.

 

9. Назовите основные факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи при кипении.

 

10. Изобразите кривые кипения a=f₁(DT_w) и q=f₂(DT_w). Укажите режимы кипения и соответствующие им области на графике.

 

11. Дайте характеристику пузырькового режима кипения. Укажите со-ответствующую область на кривой кипения.

 

12. Дайте характеристику 1-го кризиса кипения и переходного режима кипения. Укажите соответствующую область на кривой кипения.

 

13. Дайте характеристику 2-го кризиса кипения и пленочного режима кипения. Укажите соответствующую область на кривой кипения. Какие две подобласти характерны для пленочного кипения?

 

14. Что такое кризисы кипения? Дайте характеристику первого и второ-го кризисов кипения. Изобразите на графике особенности смены режимов кипения при граничных условиях первого и второго рода.

 

15. Поясните принцип работы лабораторного стенда и назначение эле-ментов по схеме экспериментальной установки.

 

16. Опишите порядок проведения опыта и заполнения таблицы наблю-дений.

 

17. Как получить уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи при граничных условиях 1-го рода?

 

18. Для какого режима кипения могут быть использованы полученные вами уравнения?

 

18

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Исаченко, В.П. Теплопередача/В.П.Исаченко,В.А.Осипова,А.С. Сукомел. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

 

2. Бухмиров, В.В. Справочные материалы для решения задач по курсу«Тепломассообмен»/В.В. Бухмиров, Д.В. Ракутина, Ю.С. Солныш-кова. – Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энерге-тический университет имени В.И. Ленина, 2009.- 102 с.

 

19

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ КИПЕНИИ

 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы при изучении дисциплины «Тепломассообмен»

 

Иваново 2013

Составители: В.В. БУХМИРОВ

А.К. ГАСЬКОВ

 

М.Г. СУЛЕЙМАНОВ

 

Редактор         Т.Е. СОЗИНОВА

 

 

Методические указания содержат задание на выполнение работы, основные теоретические сведения об исследуемом процессе, описание экспериментальной установки и оборудования. В методических указа-ниях также приведены: порядок проведения опытов, алгоритм обработ-ки полученных данных и представления результатов, а также вопросы для подготовки к отчету по работе в целом.

 

Предназначены для выполнения студентами лабораторной работы «Исследование теплоотдачи при кипении».

 

Лабораторная работа выполняется в соответствии с рабочими про-граммами курсов «Тепломассообмен», «Теплотехника» и «Теоретиче-ские основы теплотехники».

 

 

Методические указания утверждены цикловой методической комис-сией ТЭФ

 

Рецензент

 

кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

 

 

2

	СОДЕРЖАНИЕ
ЗАДАНИЕ		4
ОСНОВЫ ТЕОРИИ		4
Введение		4
1. Теплоотдача при кипении		6
1.1. Уравнение теплоотдачи		6
1.2. Коэффициент теплоотдачи		6
1.3. Режимы кипения (теплоотдачи)		7
1.3.1. Пузырьковый режим		7
1.3.2. Первый кризис кипения. Переходный режим		9
1.3.3. Второй кризис кипения. Пленочный режим		9
2.	Построение функциональной модели
	методом наименьших квадратов	9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА		12
1.	Постановка задачи исследования	12
2.	Описание экспериментальной установки	12
3.	Меры безопасности	14
4.	Порядок проведения опыта	15
5.	Обработка опытных данных	16
6.	Определение функциональной зависимости α=f(q)	17
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ		18
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК		19

 

3

ЗАДАНИЕ

 

1. Определить коэффициенты теплоотдачи (a) при пузырьковом кипе-нии воды на поверхности горизонтальной медной трубки, обогревае-мой электрическим током, при различных тепловых нагрузках (q).

2. Установить зависимость a=f₁(q).

3. Установить зависимость a=f₂(DT_w).

 

4. Подготовить отчет, включающий схему экспериментальной установ-ки, журнал наблюдений, протокол (таблицу) с результатами обработки данных, график a=f₁(q) с нанесенными опытными точками, выкладки по определению аналитических зависимостей.

 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

 

Введение

 

Теплообмен –это самопроизвольный необратимый процесс переда-чи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой, обусловленный различием их температур.

 

Существуют следующие элементарные виды теплообмена: тепло-проводность, конвекция теплоты и тепловое излучение.

 

Сочетание теплопроводности и конвекции, наблюдаемое в жидко-стях, называют конвективным теплообменом.

 

Если конвективный теплообмен происходит между поверхностью и жидкостью, омывающей эту поверхность, то такой вид теплообмена называют конвективной теплоотдачей.

 

В зависимости от фазового состояния жидкости различают теплоот-

дачу в однофазной среде и теплоотдачу при фазовых превращениях,

 

например при конденсации (переход пара в жидкость) и кипении (пе-реход жидкости в пар).

 

Кипением называется процесс образования пара внутри объемажидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.

 

При конвективной теплоотдаче кипение происходит около нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит свободная конвекция жидкости в «неограниченном» пространстве, то процесс называют «теплоотдачей при кипении в большом объеме». Объем считается большим (неограниченным), если изменение его раз-меров не влияет на процесс теплообмена между жидкостью и стенкой. В противоположность этому процесс называют «теплоотдачей при кипе-нии в ограниченном объеме», например при кипении жидкости в тру-бах.

 

4

	а)		б)
			Tн=100^0C
X,м	2	3
	G п		Tпов.f=100,4	0	С

 

4

 

T_f(х)

 

1	5	Tf(х)
		Tw
		δ

 

 

Q

 

 

Y,м		100	104	108	112 T,^0C

 

T_w

 

 

Рис.1. Пример распределения температуры в объеме кипящей воды (T_w=111,8⁰C, p_н=1 бар):

 

а – картина процесса кипения; б – распределение температуры; 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; T_пов.ж – температура поверхности жидкости; T_w – температура поверхности теплообме-на (стенки); T_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении; p_н – давление насыщения; δ – толщина пограничного слоя; Q – тепловой поток от стенки к воде; G_п – массовый расход образовавшегося пара

 

В процессе теплоотдачи в кипящей жидкости формируется темпера-турное поле (рис.1,б). При этом жидкость оказывается перегретой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в жидкости.

 

В температурном поле можно выделить две характерные области. Тепловой пограничный слой –весьма тонкий слой жидкости,при-

 

легающий непосредственно к поверхности стенки, в пределах которого сосредоточено практически все изменение температуры жидкости: от температуры поверхности до температуры в ядре потока (см. рис.1).

 

Тепловое ядро потока –вся остальная жидкость за пределами теп-лового пограничного слоя.

 

5

f, max

Теплоотдача при кипении

 

Уравнение теплоотдачи

 

При кипении, как и во всех других процессах теплоотдачи, исполь-зуют уравнение теплоотдачи (закон Ньютона), устанавливающее связь между температурным напором «стенка – жидкость» и тепловым пото-ком через поверхность теплообмена:

 

	Q = a ×(Т w - Т н)× F	(1)
или	Q = a ×D Т w × F,	(2)
или	q = a ×D Т w,	(3)

 

где Q – тепловой поток, Вт; q=Q/F – поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²; F – поверхность теплообмена (стенки), м²; a – средний по поверхности F коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); Т_w – температура поверхности теплообмена (стенки), ⁰С; Т_н – температура насыщения жидкости при заданном давлении, ⁰С.

 

При этом в качестве температурного напора выступает перегрев стенки (см. рис. 1):

 

D Т w = Т f , max= Т w - Т н,

(4)

 

где DT    – максимальный перегрев жидкости, ⁰С.

 

Таким образом, тепловой поток пропорционален площади F поверх-ности теплообмена и температурному напору DT_w между стенкой и жидкостью.

 

Коэффициент теплоотдачи

 

Коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м ² К),–это коэффициент про-порциональности в законе Ньютона, характеризующий интенсивность теплоотдачи.

 

Величина коэффициента теплоотдачи при кипении зависит от боль-шого числа различных факторов: а) физических свойств жидкости; б) чистоты жидкости; в) ее температуры и давления; г) геометрической формы, размеров и ориентации в пространстве поверхности теплообме-на; д) материала и шероховатости (чистоты обработки) поверхности; е) величины перегрева жидкости и т.п. Поэтому определение коэффици-ента теплоотдачи при кипении – весьма трудная задача.

 

6

Различают локальное (в данной точке поверхности) и среднее по по-верхности теплообмена значение коэффициента теплоотдачи:

 

a =	Q		,	(5)
	D Т w
		× F

 

то есть коэффициент теплоотдачи численно равен тепловому потоку, передаваемому через единицу поверхности теплообмена при темпера-турном напоре в 1⁰C (1 К).

 

Выражение (5) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи на основе экспериментального определения величин Q, F и DT_w.