Особенности теплообмена при кипении в большом объеме и трубах

Механизм кипения в объеме жидкости становится понятным из рассмотрения зависимостей коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки от температурного напора (рис. 14). При малых температурных напорах (∆ Т

5оС), значение

 слабо растет (до т. а) с ростом ∆ Т.

                                              Это объясняется тем, что роль образую-

                                              щихся пузырьков пара мала и интенсив-

                                              ность теплоотдачи определяется свобод-

                                              ной конвенцией. Такой режим кипения

                                              называется началом кипения. При даль-

                                              нейшем увеличении ∆ Т увеличивается

                                              количество центров парообразования и

                                              частота их отрыва от поверхности тепло-

                                              обмена. Это вызывает увеличение интен-

сивности теплоотдачи и

 резко растет

 

             Рис. 14

(кривая правее т. а). Такой режим кипения называется пузырьковым и он продолжается до критической точки К, в которой центров парообразования становится так много, что они начинают сливаться и интенсивность теплоотдачи начинает падать. В т. с кипящая жидкость оказывается отделенной от греющей поверхности сплошным слоем пара, теплоотдача к которому гораздо ниже, чем к жидкости. Такой режим кипения называется пленочным (правее т. с). Переход от пузырькового режима кипения к пленочному происходит в зоне между т. к и т. с и этот режим кипения называется переходным.

Параметры (q и ∆ t), при которых происходят переходы от одного режима кипения к другому, называются критическими: в т. к имеем qкр1, и ∆ t кр1, в т. с - qкр2 и ∆ t кр2.

При эксплуатации теплообменного оборудования необходимо следить за тем, чтобы тепловые нагрузки, действующие на теплообменную поверхность, не превышали значения qкр1, так как при достижении qкр1 теплообмен ухудшается, температура поверхности резко повышается, что может привести к ее разрушению. Особенно это касается электрических подогревателей.

При кипении основная часть теплоты от теплообменной поверхности передается жидкости (малая часть теплоты передается непосредственно пару). При кипении образуются, растут, отрываются и всплывают паровые пузыри, что сильно турбулизирует жидкость. Поэтому для описания теплоотдачи и в этом случае используется критериальное уравнение вида

                                        (49)

Очевидно, что при кипении в большом объеме коэффициент теплоотдачи не должен зависеть от линейных размеров нагревателя или емкости, в которой кипит жидкость. Поэтому определяющий размер

принимается равным (или пропорциональным) линейному размеру пузырька пара в момент его зарождения. Критерии подобия, входящие в (49), вычисляются по следующим формулам:

                         (50)

где: индекс «ж» означает жидкость, символ «'′» - пар.

При кипении в трубах, и особенно в условиях вынужденной конвекции, расчет коэффициента теплоотдачи еще более затруднителен, так нужно учитывать еще и гидродинамику потока. Поэтому критериальное уравнение (49) дополняется критерием Reц, вычисляемым по скорости циркуляции:

                                     (51)

Общим недостатком приведенных формул является необходимость знания физических характеристик жидкости и пара при рабочем давлении, причем на судне может не оказаться необходимых справочников. Поэтому в инженерной практике для пузырькового кипения воды при

бар широко используются простые расчетные формулы, полученные академиком М.А.Михеевым:

                           (52)

где р – абсолютное давление пара, бар; q – плотность теплового потока, Вт/м2;

- температурный напор, град.

Физически обоснованным и достаточно простым уравнением, описывающим теплообмен при пузырьковом кипении и в большом объеме и в трубах, является уравнение В.И.Толубинского

                                      (53)

где вместо критерия Re введен критерий кипения К, представляющий собой отношение скорости парообразования к скорости роста паровых пузырьков.

 

Теплообмен при конденсации

 

Процесс конденсации заключается в переходе пара в жидкое состояние и может происходить только при условии, что t и p пара ниже параметров критической точки; протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. При конденсации необходимо отводить образовавшееся вещество и отводить теплоту.

В зависимости от состояния поверхности различают капельную и пленочную конденсацию. Если поверхность не смачивается, то конденсат осаждается в виде капель, такая конденсация для водяного пара – явление неустойчивое и кратковременное. Здесь

 в 15-20 раз выше по сравнению с пленочной конденсацией.

Как правило, в конденсаторах судовых энергетических установок происходит пленочная конденсация. При вертикальном расположении труб на их верхней части пленка конденсата стекает при ламинарном режиме (скорость пленки мала). По мере движения вниз (стекания) движение пленки переходит в турбулентное. При конденсации пар передает свою теплоту поверхности пленки конденсата, а пленка передает теплоту теплообменной поверхности. Поэтому чем тоньше эта пленка, тем выше теплоотдача и поэтому вертикально расположенные трубы конденсаторов имеют колпачки (установленные через каждые 8 12 см), отводящие конденсат от поверхности трубы. Это увеличивает интенсивность теплоотдачи в 2

 3 раза.

В связи с изложенным, очевидным представляется и влияние шероховатости поверхности теплообмена – чем больше шероховатость, тем больше сопротивление течению пленки. Толщина пленки конденсата увеличивается и

 конденсации уменьшается (до 30% по сравнению с гладкой и чистой поверхностью).

При горизонтальном расположении труб конденсатора средний коэффициент теплоотдачи оказывается выше, так как толщина пленки конденсата будет меньше даже на нижних трубах, где пленка будет разбиваться струйками и каплями стекающего с верхних труб конденсата.

Существенно ухудшает теплоотдачу при конденсации наличие в паре различных газов (в частности, воздуха в судовых конденсаторах). Это происходит потому, что на холодных теплообменных поверхностях пар конденсируется, а газ (воздух) остается в виде слоя и мешает следующей порции пара проникнуть к поверхности. Так 1% воздуха в паре уменьшает

 конденсации на 60%.

 

    4.4 Контрольные вопросы

 

    1. Опишите механизм теплообмена при пузырьковом кипении.

2. Опишите зависимость

и q от

t при кипении в большом объеме.

    3. Какими критериальными уравнениями описывается теплоотдача при кипении в трубах и большом объеме?

    4. Опишите особенности процесса конденсации.

 

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ