Теплообмен при кипении; механизм процессов при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Теплообмен при конденсации.

 

Кипением называется процесс образования пара в жидкости, нагретой выше температуры насыщения. Физические условия процесса образования пара при нагреве жидкостей отличаются большой сложностью. Для про­цесса кипения необходимы три основных условия:

1) перегрев жидкости - нагрев жидкости до температуры насыщения (температуры кипения при соответствующем давлении) и более;

2) наличие центров образования пузырьков пара на поверхности стен­ки или внутри объема жидкости, каковыми могут служить взвешенные час­тицы, неровности поверхности стенок, углубления, впадины, трещины, присущие в той или иной мере шероховатой поверхности твердой стенки;

3) постоянный подвод теплоты.

Различают два основных режима кипения: пузырьковое и пленочное.

Пузырьковое кипение имеет наибольшее распространение в практиче­ских условиях (паровые котлы, стальные экономайзеры).

Зарождаясь в отдельных точках обогреваемой поверхности, где работа сил адгезии (отрыва жидкости от поверхности) наименьшая, пузырьки пара вначале увеличиваются в размере, затем отрываются от стенки и поднима­ются через слой жидкости в паровое пространство. Их рост и движение вызывают интенсивное перемешивание жидкости.

Если кипение происходит в неподвижной жидкости (кипение в боль­шом объеме), то отрыв пузырей от стенки вызывается действием архимедо­вой силы. При интенсивном вынужденном течении жидкости отрыв пузы­рей происходит под воздействием динамического потока. Чем выше ско­рость потока, тем меньшими оказываются отрывные диаметры пузырей.

Если же основная масса жидкости будет недогрета до температуры насыщения, то пузыри пара, выходя из перегретого пристенного слоя твер­дой поверхности, попадают в более «холодную» среду (жидкость) и там конденсируются. Такой процесс называется поверхностным кипением. При определенных условиях пузырьковый режим переходит в пленочный ре­жим кипения, когда жидкость в основном не соприкасается с поверхностью нагрева, а отделена от стенки непрерывно восстанавливающейся паровой пленкой. Такое перерождение режима носит резкий характер и является крайне нежелательным в практическом отношении. Пленочный режим ки­пения образуется по двум причинам: плохая смачиваемость поверхности нагрева и большая тепловая нагрузка поверхности нагрева.

Паровая пленка, обладающая меньшим коэффициентом теплопровод­ности, создает наибольшее термическое сопротивление между обогревае­мой поверхностью и кипящей жидкостью. Следствием этого является паде­ние значений коэффициента теплоотдачи, а максимальная тепловая нагруз­ка, предшествующая резкому падению коэффициента теплоотдачи при пе­реходе к пленочному кипению, называется критической тепловой нагруз­кой дкр. Для воды в условиях атмосферного давления и естественной кон­векции отмечаются следующие параметры

ДТкр = 25 °С; акр = 5,85 • 104 Вт/(м2 • К); дкр = 1,46 • 106 Вт/м2.

С повышением давления значения критического температурного на­пора уменьшаются. Для области пузырькового кипения воды в диапазоне давлений 1.40 кг/см2 (0,1.4 МПа) применимы зависимости

А = 3,0 q0Jp°,15; а = 38,7 ДТ 2>33/>5,

Где q и p следует подставлять соответственно в Вт/м2 и кг/см2.

Знание критических параметров жидкости при кипении имеет боль­шое практическое значение, ибо превышение критического температурного напора приводит к резкому снижению производительности кипятильных установок. Когда же заданным является тепловой поток и оказывается бо­лее критического значения, происходит резкое повышение температуры обогреваемой стенки до недопустимого предела. С увеличением давления критическое значение теплового потока вначале заметно возрастает, затем падает и при некотором критическом давлении становится равным нулю. Большие значения коэффициентов теплоотдачи а, Вт/(м2 • К) при кипении (500.5000) и конденсации (4000.20 000) воды позволили весьма эффек­тивно использовать эти процессы в промышленных устройствах.

На теплообмен при изменении агрегатного состояния влияют физико - химические особенности среды и поверхности:

• состояние поверхности - чистая, загрязненная, шероховатая;

• капиллярность и поверхностное натяжение;

• адсорбция - поглощение газов, паров или жидкостей поверхност­ным слоем твердого тела (адсорбента);

• абсорбция - объемное поглощение газов или паров жидкостью (аб­сорбентом, с образованием раствора);

• десорбция - удаление из твердых тел и жидкостей веществ, погло­щенных при адсорбции или абсорбции.

Конденсацией называется переход вещества из парообразного состоя­ния в жидкое состояние. Конденсаторы, применяемые в турбинных уста­новках, и паровые подогреватели воды, используемые в теплогенерирую - щих установках, обычно устраиваются в виде пакетов горизонтальных или вертикальных трубок, с внешней стороны омываемых паром, а с внутрен­ней стороны - водой. Когда пар соприкасается с холодной поверхностью, то он конденсируется либо в виде капель, либо в виде пленки. Конденсация пара на поверхности происходит тогда, когда температура поверхности Iw ниже температуры насыщения Ts, отвечающей данному давлению пара.

На поверхности твердых тел различают пленочную и капельную кон­денсацию, которые при неподвижном паре зависят от угла смачивания р (краевого угла), составленного между поверхностью тела и касательной к капле. Если краевой угол р < 90°, то твердую поверхность называют смачи­ваемой, и чем р меньше, тем лучше капля растекается на поверхности. При Р > 90° твердая поверхность не смачиваема и капли сохраняют на ней свою каплеобразную форму. Совершенно чистые металлические поверхности почти полностью смачиваются водой, а загрязненные - неполно или вовсе не смачиваются.

Капельная конденсация имеет место при слабой интенсивности кон­денсации, когда конденсат не смачивает поверхность или металлическая поверхность загрязнена до стойко адсорбированной. Под действием меха­нических сил отдельные капли скатываются по поверхности, образуя ру­чейки. Преобладающая часть твердой поверхности продолжает при этом непосредственно омываться паром. Искусственно капельную конденсацию можно получить, смазывая поверхность маслом или примешивая жирные кислоты к конденсирующему пару.

Пленочная конденсация имеет место при соприкосновении водяного пара с чистой металлической поверхностью. Капли, выпадающие на по­верхности, растекаются и образуют сплошную пленку. Необходимо знать, что любая чистая поверхность металла постепенно покрывается загрязне­ниями и плохо смачивается, но с течением времени (в процессе старения поверхности) образуется оксидная пленка, на которой конденсация, рано или поздно, приобретает пленочный характер. Поэтому капельная конден­сация особого интереса для инженеров не представляет, хотя при капель­ной конденсации теплообмен между паром и стенкой в 5 - 10 раз больше, чем при пленочной конденсации.

12

При конденсации пара на чистую поверхность всегда получается сплошная пленка, в результате чего создается дополнительное термическое сопротивление передачи теплоты от пара к стенке. На шероховатой по­
верхности толщина пленки еще выше при одинаковых прочих условиях. Окисленная поверхность также может снизить по этой причине коэффици­ент теплоотдачи на 30 % и более.

Если конденсация происходит на вертикальной поверхности или тру­бе, то течение пленки носит ламинарный характер, градиент температуры вдоль пленки конденсата отсутствует, а силы инерции, возникающие в ней, пренебрежимо малы.

Если пар энергично движется сверху вниз и скорость движения пара совпадает по направлению со скоростью течения пленки конденсата, то коэффициент теплоотдачи увеличивается, так как толщина пленки стано­вится меньше. При противоположном направлении скоростей коэффициент теплоотдачи уменьшается, так как толщина пленки вследствие трения ста­новится больше. Если скорость восходящего пара становится выше опреде­ленного предела, то конденсатная пленка разрушается и оказывается со­рванной с поверхности. Срыв пленки способствует интенсификации и воз­растанию теплообмена.

Особое внимание необходимо также уделять расположению поверх­ности. При прочих одинаковых условиях вопрос компоновки следует ре­шать в пользу горизонтальной трубки. Для горизонтально расположенной трубы, по сравнению с вертикальной, средний коэффициент теплоотдачи выше. Однако это справедливо лишь для одиночных труб, а также верхнего ряда труб в пучке. С верхнего ряда конденсат стекает на нижние ряды, утолщая тем самым пленку конденсата каждого последующего ряда. По­этому в больших конденсаторах на горизонтальных трубках целесообразно располагать специальные наклонные перегородки (поверхности) для отвода конденсата.

При вертикальном расположении трубок лучше всего пользоваться конденсатоотводными колпачками. Установка таких колпачков через каж­дые 10 см по высоте трубы прерывает естественное утолщение стекающей пленки конденсата, чем значительно увеличивает среднее значение коэф­фициента теплоотдачи по высоте трубки.

При конденсации перегретого пара теплоотдача несколько выше. Если же в паре содержится неконденсирующийся газ, воздух, то у стенки на­блюдается его наибольшая концентрация, образуется слой термического сопротивления и газовая прослойка при конденсации пара заметно снижает коэффициент теплоотдачи.

 

 

Тепловой баланс лучистого теплообмена. Законы теплового излучения. Излучение газов. Сложный лучисто-конвективный теплообмен. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой: теплообмен между плоско-паралельными поверхностями; защита от излучения.

 

 

Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство элек­тромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от нуля до бес­конечности, т. е. имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энер­гию только в определенных интервалах длин волн и имеют селективный спектр излучения. Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхно­стью - поверхностное излучение, а газы объемом - объемное излучение.

Под действием возбуждения колебаний в молекулах и атомах вещест­ва (тела) возникают электромагнитные колебания. Длина волны Хл, мкм (микрометр - 10-6 м), электромагнитного излучения находится в пределах: для рентгеновских лучей - 10-6.20 • 10-3; ультрафиолетовых - 0,02.0,4; видимых (световых) - 0,4.0,8; тепловых (инфракрасных) - 0,8-.800; для радиоволн - 200 мкм...X км.

Излучение волн любой длины всегда превращается (трансформирует­ся) в тепловую энергию. Но для световых и инфракрасных лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением или радиацией. Лучистый теплообмен - широко распростра­ненный в теплоэнергетике вид передачи теплоты.

В отличие от всех других видов тепловое инфракрасное (температур­ное) излучение определяется тепловым состоянием тела - его температу­рой. Тепловое излучение свойственно всякому телу, если его абсолютная температура отлична от нуля. Интенсивность теплового излучения резко увеличивается с ростом температуры. Всюду, где в определенных условиях температура достигает порядка 600.700 °С и выше, превалирующим ви­дом теплообмена (по сравнению с конвекцией) является радиация. Свое преимущество она сохраняет и для низких температур при соответствую­щем расположении поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучистая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивна передача теплоты радиацией в условиях вакуума или разреже­ния. Носителями квантов энергии являются элементарные частицы излуче­ния - фотоны, а излучаемая в единицу времени энергия соответствует очень узкому интервалу изменения длины волн от Хл до (Хл + й? Хл).

Излучаемая в единицу времени энергия, которую можно характеризо­вать данным значением длины волн Хл, называется потоком монохромати­ческого излучения Q%. Поток излучения, соответствующий всему спектру, в пределах от нуля до бесконечности, называется интегральным, или полным лучистым потоком Q (Вт).

Интегральный или полный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока интегрального излучения, или излучатель - ной способностью Е (Вт/м2).

Если излучательная способность Е одинакова для всех элементов по­верхности F, то Q = EF. В этом случае, излучательная способность тела Е, численно равна количеству энергии (Дж), выделяемой с единицы поверх­ности (м2), в единицу времени (с), Дж/(м2 • с) = Вт/м2.

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело, то из всего общего количества падающей на тело лучистой энергии Ео (Qo), часть ее отражается в окружающее пространство Еот (QOT), некоторая доля энергии, проникающей в тело, поглощается Епог (QnOT) и трансформируется в тепло­вую энергию, а остальная часть проходит сквозь тело и через окружающее пространство Епр (Q^), после чего попадает на другие тела.

Таким образом, падающий на тело лучистый поток может быть разде­лен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следова­тельно: Ео = Еот + Епог + Епр. Для количественной оценки каждой части лу­чистой энергии вводят следующие понятия.

1. Отношение отраженной энергии к энергии, падающей на поверх­ность, называют отражательной способностью тела R = Еот/Ео.

2. Отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела А = Епог/Ео.

3. Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной способностью тела D = Епр/Ео.

В соответствии с законом сохранения энергии: R + А + D = 1.

Если R = 1, то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и опре­деляется законами геометрической оптики, тела называются зеркальными. В случае диффузного отражения - абсолютно белыми.

Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излучение поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными.

Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия про­ходит сквозь тело и такие тела называют прозрачными или диатермичны - ми. К ним можно отнести незапыленный сухой воздух, одноатомные и двухатомные газы (азот, кислород, водород).

В природе «абсолютных» тел не существует, хотя имеются близкие. Например, моделью абсолютно черного тела может служить отверстие в стенке полого тела (шара), в котором энергия попадающего в него луча полностью поглощается стенками. Нефтяная сажа поглощает до 96 % па­дающей энергии, а шероховатый лед или иней - до 98 %. Почти все тепло­вые лучи отражает тщательно отполированная медь.

В природе подавляющее большинство твердых тел и жидкостей не­прозрачно. Тела, для которых пропускательная способность D = 0, а сумма поглощательной и отражательной способностей А + R = 1. Эти тела назы­вают серыми или атермичными. Если серое тело хорошо поглощает лучи­стую энергию, то оно плохо отражает эту энергию, и наоборот.

Среда, сквозь которую проходит лучистая энергия, по-разному погло­щает и, следовательно, пропускает излучение. Трехатомные газы (углекис­лый и сернистый газ, водяные пары) пропускают тепловые лучи только в узком диапазоне длин волн. Сухой воздух практически прозрачен для теп­ловых лучей, однако при наличии в нем влаги, пара (тумана) он становится средой, заметно поглощающей. Поглощение и рассеяние излучения имеет место в запыленных или сажистых газах.

Наиболее интенсивно поглощают энергию твердые тела, слабее - жидкости. Для приближения твердых серых тел к черным их поверхность часто покрывают нефтяной сажей, лаком или краской. Однако поглоща - тельная способность тел в инфракрасном диапазоне излучения определяет­ся не столько цветом, сколько состоянием или качеством (шероховатостью) поверхности.

Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зависят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафио­летовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Каменная соль про­зрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.

Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи, что используется для различных тел и сооружений, где инсоляция нежелатель­на. Тепловые же лучи невидимого инфракрасного излучения воспринима­ют поверхность тел только по состоянию ее шероховатости и степени чер­ноты, но не цвета, точно так же как и глаз не «видит» инфракрасные лучи, но воспринимает всю гамму световых лучей.

Следовательно, цвет поверхности тела (его окраска) существенно влияет на поглощение и излучение только видимых лучей в соответствую­щем интервале длин световых волн. Естественно, что со световыми лучами тоже поступает тепловая энергия, которая используется в различных гелио - технологических и солнечных установках: теплицах, сушилках, опресни­тельных установках, солнечных прудах.

Основные законы теплового излучения приведены в [13, 35, 36] и устанавливают следующие положения.

1. Закон смещения Вина: с увеличением абсолютной температуры максимальная длина волны смещается к области более коротких волн.

2. Закон теплового излучения Кирхгофа: чем больше тело излучает, тем больше оно и поглощает, или излучательная способность тела прямо пропорциональна поглощательной при той же температуре.

3. Закон Стефана-Больцмана для реального тела: излучательная спо­собность реального тела Е зависит от степени черноты тела и пропор­циональна четвертой степени его абсолютной температуры Т.

4. Для большинства твердых (серых) тел вместо поглощательной спо­собности оперируют понятием степени черноты реального тела. Под сте­пенью черноты реального тела є понимают отношение излучательной спо­собности данного тела Е к излучательной способности абсолютно черного тела Е0 при той же температуре: є = (Е/Е0)Т.

5. Степень черноты полного излучения тел є характеризует суммар­ное лучеиспускание реального тела, определяется экспериментально и для большинства материалов ее значения табулированы и сведены в таблицах. Степень черноты реального тела є - то же самое, что и поглощательная способность тела: є = А. Необходимо учитывать, что степени черноты тел є или их поглощательная способность А зависят от температуры: для метал­лов они возрастают с повышением температуры, а для неметаллов - пони­жаются. Степень черноты тел меняется от 0 (для абсолютно белых) до 1 (для абсолютно черных тел).

Наиболее существенно на є и А в инфракрасном диапазоне излучения влияет шероховатость поверхности, поэтому различают степень черноты металла как вещества (шероховатое или окисленное) и металла после его обработки или полировки, когда степень черноты имеет порядок сотых долей единиц. Для шероховатых поверхностей (строительных материалов), а также при загрязнении или наличии на поверхности оксидной пленки значения є увеличиваются в несколько раз. Например, медь окисленная имеет є = 0,6.0,8; медь слегка полированная - є = 0,12; а медь тщательно полированная имеет є = 0,02.

Значительно степень черноты є зависит также от состояния поверхно­сти тела. Покрытие гладкой поверхности металла одинарным тонким слоем прозрачного для света лака может привести к многократному увеличению
є. Необходимо помнить, что видимая окраска поверхности тела в отражен­ных лучах света не дает никакого представления о степени черноты є, ха­рактеризующей в основном невидимое инфракрасное излучение. Напри­мер, бумага, фарфор, асбест, кирпич имеют є порядка 0,7...0,9, тогда как глазом они воспринимаются как белые тела. Аналогично лак черный мато­вый имеет є = 0,96, а лак белый - 0,9; сажа - 0,952, гладкое стекло - 0,937; вода - 0,9, а снег (при отрицательных температурах) - 0,82; краска черная глянцевая - 0,9, а краска белая масляная и различных цветов - 0,92.0,96.

Q12 = Єпс0F

6. Суммарная теплопередача лучеиспусканием между телами:

Т \4 f Т ^4 T1 I I T2

100; 1100

Где єп - приведенная степень черноты системы тел; с0 - коэффициент излу­чения абсолютно черного тела, с0 = 5,67 Вт/(м2 • К4); F - площадь теплопе-

2

Редающей поверхности, м.

Приведенная степень черноты єп системы тел с плоскопараллельными поверхностями F1 и F2, имеющими соответственно степени черноты є1 и є2, определяется как:

1

Єп =

11

—+------------------------------------------------------------ 1

Є

 

2

Є

Приведенная степень черноты єп системы тел, из которых одно с по­верхностью F1 находится в полости другого F2, имеющими соответственно степени черноты є1 и є2, определяется как:

1

Єп =

-1+F Ґ1 -1

Ь1 F2 V Є 2

При значительном расхождении F1 - о F2, в такой системе создаются условия лучистого теплообмена, тождественные тем, которые имеют место в системе тел с плоскопараллельными поверхностями. При F2 >> F1 явле­ние становится автомодельным относительно параметров поверхности и степени черноты второго тела. Расчетная формула приобретает более про­стой вид:

4

 

Q12 = є1с0 F1

T I4 I T2

100; V100

Для интенсификации лучистого теплообмена необходимо увеличить температуру излучающего тела и усилить приведенную степень черноты системы. Наоборот, для уменьшения теплообмена необходимо снизить температуру излучающего тела и уменьшить приведенную степень чер­ноты системы. В тех же случаях, когда температуру изменить нельзя, для снижения лучистого теплообмена применяют экраны.

7. Защита от излучения с помощью плоских экранов. В этом случае между горячим 1 и холодным 2 телом ставят тонкостенный экран из непро­зрачного вещества. Постановка одного экрана уменьшает при прочих оди­наковых условиях количество передаваемой лучистой теплоты в два раза. Постановка n экранов уменьшает количество передаваемой лучистой теп­лоты Q12 в (n + 1) раз, т. е. Qn э = Q12 / (П + 1).

Еще больший эффект снижения лучистого теплообмена получается, если применяются экраны с малой степенью черноты. Так, если между двумя плоскими поверхностями со степенью черноты єп установлены n экранов со степенью черноты еэ, то

Q

Вэ =■

2 - еэ

1 + n

2-Єп £э

Следовательно, установка лишь одного экрана со степенью черноты є. з = 0,2 между поверхностями с є = 0,7 дает снижение лучистого потока теп­лоты віг в 6 раз. Применение экранов позволяет использовать одновремен­но в качестве тепловой изоляции и воздушные прослойки.

8. Тепловое излучение в газах происходит во всем объеме, а количе­ство поглощаемой газом энергии зависит от числа находящихся в данном объеме микрочастиц газа.