2522
.pdfпри |
Re |
ж |
103 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) при шахматной компоновки цилиндров |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Prж |
0.25 |
|
|
|
Nu |
|
0.4 Re0.6 |
Pr0.36 |
. |
|
|
|
|
ж |
|
||||
|
|
|
|
ж |
ж |
Prст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.63) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
Re |
ж |
103 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.2.9. Теплоотдача при кипении жидкости
Кипением называется процесс образования пара внутри объѐма жидкости. Условия протекания этого процесса своеобразны и чрезвычайно сложны. Сложность процесса кипения обусловлена наличием и взаимодействием двух фаз - пара и жидкости, которые по своим физическим свойствам сильно отличаются друг от друга.
Температура пара, образующаяся при кипении, равна температуре насыщения Ts, определяемой давлением Ps, под которым находится жидкость. С повышением давления растет температура насыщения.
На рис.54 представлено изменение коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости (воды) в большом объѐме и при атмосферном давлении. Здесь можно выделить три характерных участка изменения коэффициента теплоотдачи. На участке АВ, характеризуемым малым температурным напором, наблюдается почти полное отсутствие образования паровоздушных пузырей и значения коэффициента теплоотдачи определяются естественной конвекцией.
Под температурным напором понимается разность темпера-
туры нагреваемой стенки и температурой насыщения, т.е. |
|
∆T = Tcm-Ts. |
(2.64) |
91
α |
|
|
|
|
|
пузырьковое |
К |
пленочное |
|
|
|
|
||
|
кипение |
|
кипение |
|
104 |
|
|
|
|
103 |
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
A |
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
102 |
1 |
10 |
100 |
T |
0.1 |
||||
|
|
Рис. 54 |
|
|
На участке ВК интенсивность теплоотдачи резко возрастает вследствие роста и движения паровых пузырей. Такой режим кипения называется пузырьковым. В точке К коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении температурного напора (участок КС) происходит изменение режима кипения. На участке кривой КС с ростом температурного напора число центров парообразования увеличивается и они, сливаясь, образуют паровоздушную плѐнку, отделяющую жидкость от нагреваемой стенки. Такой режим кипения жидкости называется плѐночным, а точка К характеризует кризис теплоотдачи при кипении. За счет низкой теплопроводности пара при плѐночном кипении коэффициент теплоотдачи с увеличением температурного напора резко падает.
В самом начале плѐночного режима кипения паровоздушная пленка неустойчива, но затем наступает стабилизация, когда коэффициент теплоотдачи остаѐтся почти постоянным. При этом тепловой поток на стенке растет, что может привести к перегоранию поверхности нагрева вследствие недостаточного отвода тепла со стороны жидкости.
Для пузырчатого режима кипения жидкости можно проводить расчет теплоотдачи по формуле
39 T 2.33 P0.5
(2.65)
Формула (2.65) справедлива для давлений пара Р = 0.2 ÷100
атм.
92
2.2.10. Теплоотдача при конденсации пара
При соприкосновении пара с поверхностью стенки, температура которой меньше температуры насыщения, пар начинает конденсироваться и образующаяся при этом жидкость под действием сил тяжести стекает по поверхности.
Различают капельную и плѐночную конденсацию. Капельная конденсация неустойчива и протекает на не смачиваемых поверхностях, В современных промышленных аппаратах в основном встречается плѐночная конденсация. На основании анализа условий течения плѐнки конденсата по поверхности, Нуссельтом предложены следующие формулы для коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации:
а) вертикальная стенка высотой Н
1.154 |
|
А |
|
4 |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Р t |
P t |
(2.66) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
б) горизонтальный цилиндр диаметром d
А |
|
0.724 |
|
Р t |
(2.67) |
|
t |
ts |
tст |
(2.68)I |
|
|
|
А r 3
(2.69)
где r - теплота парообразования; ρ - плотность конденсата; λ - коэффициент теплопроводности конденсата; μ - вязкость конденсата.
На процесс теплоотдачи при конденсации пара оказывает влияние следующие факторы:
а) перегрев пара.
Для перегретого пара при конденсации теплоотдача выше, чем для насыщенного пара;
б) состояние поверхности.
Теплоотдача при конденсации пара зависит от состояния поверхности. Если поверхность шероховата или покрыта слоем окиси, то за счет дополнительного сопротивления течению толщина пленки возрастает, а коэффициент теплоотдачи при этом снижается;
93
в) содержание в паре неконденсирующихся газов.
При наличии в паре воздуха или других неконденсирующихся газов теплоотдача при конденсации сильно снижается. Это происходит потому, что на холодной стенке конденсируется только пар, а воздух остаѐтся. При отсутствии конвекции с течением времени воздух скапливается около стенки и оказывает значительное препятствие продвижению пара к стенке;
г) скорость и направление течения пара.
При значительных скоростях поток пара оказывает динамическое воздействие на конденсатную пленку. Если движение пара совпадает с направлением течения пленки, поток пара ускоряет движение конденсата в плѐнке, еѐ толщина уменьшается и коэффициент теплоотдачи возрастает. При движении пара снизу вверх течение плѐнки тормозится, толщина еѐ увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается.
2.3.Лучистый теплообмен
2.3.1.Основные понятия. Поглощательная, отражательная и пропускательная способность тела
Излучение представляет собой процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн, возбудителями которых являются заряженные элементарные частицы. Для теплотехники представляет интерес только то излучение, которое при поглощении его телами превращается в теплоту. Такими свойствами обладают в основном световые и инфракрасные лучи, называемые обычно тепловыми. Длина волны излучения тепловых лучей лежит в пределах от 0,4 до 40 мкм.
Лучистая энергия, переданная на какое-нибудь тело, в общем случае частично поглощается этим телом, отражается и проходит через него (рис. 55).
Если обозначить через Q0 общее количество лучистой энергии, посту-
Рис. 55
94
пающей на тело, а через QA , QR и QД - соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него, т.е.
Q0 |
QA |
QR |
|
QД . |
(2.70) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разделив обе части неравенства на Q0 , получим |
||||||||||
|
Q |
|
Q |
A |
|
Q |
R |
|
QД |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
, |
|||
|
Q0 |
|
Q0 |
|
Q0 |
|
Q0 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.71) |
А + R + Д = 1 |
|
|
|
(2.72) |
A, R и Д - соответственно поглощательная, отражательная и пропускная способность тела.
Если А = 1, а R + Д = 0, то тело полностью поглощает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе нет. Свойствами, близкими к абсолютно черному телу, обладает нефтяная сажа А = 0.9 ÷ 0.96,вода и лед
А = 0.92 ÷ 0.95, черное сукно А = 0.98.
Если R = l, a A + Д = 0, то тело полностью отражает падающие на него тепловые лучи. Такое тело называется зеркальным либо абсолютно белым. К числу тел, близких по свойствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов - золото, медь и др. Для полированных металлов R = 0.95 ÷ 0.97.
Если Д = 1, а А + R = 0, то тело пропускает через себя все падающие на себя лучи. Такое тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным. Многие тела и среды прозрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрасного излучения.
2.3.2. Излучательная способность тела. Закон Планка
Излучаемая способность Е представляет собой количество энергии, изучаемое единицей поверхности в единицу времени в
95
диапазоне волн от λ= 0 до λ= ∞. Энергия излучения неравномерно распределена по длинам волн и поэтому вводится понятие спектральной интенсивности излучения Jλ, которая представляет собой
излучательную способность в бесконечно малом диапазоне d , т.е.
J |
dE |
Вт |
|
|
|
м3 . |
|||
d |
||||
|
|
|||
|
Закон |
изменения спектральной интенсивности излучения |
абсолютно черного тела JOλ = f (λ,T) в зависимости от длины волны температуры тела теоретически установил Планк, и этот закон называется законом Планка.
Сущность закона заключается в том, что при λ= 0 JOλ = 0 ; с увеличением длины волны интенсивность излучения возрастает и при некотором λт достигает своего максимального значения. При дальнейшем увеличении длины волны интенсивность излучения падает и при λ→ ∞ асимптотически приближается к нулю. С повышением температуры максимум излучения увеличивается.
2.3.3. Закон Стефана - Больцмана
Полное количество энергии, излучаемой абсолютно - черным телом в диапазоне длин волн от 0 до ∞ находится интегрированием закона Планка.
|
0 |
|
|
T |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
EO |
J O d |
C0 |
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
||||
100 |
2 |
|
|||||
|
|
|
м |
(2.73) |
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
Вт |
м2 K 4 |
|
|
|
|
|
|
где Со = 5.67 |
- коэффициент излучения абсолютно |
черного тела.
Формула (2.73) носит название закона Стефана - Больцмана, который гласит: полная энергия излучения пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени.
Для серых тел закон Стефана - Больцмана имеет вид
|
|
T |
4 |
E С |
|
|
|
|
|
|
|
100 |
(2.74) |
||
|
|
|
96
|
Вт |
где С - коэффициент излучения тела ( 0 ÷ 5,67 |
м2 K 4 |
Если разделить (2.73) на (2.74), получим относительную излучательную способность тела, или степень черноты
С
С0
(2.75)
Степень черноты тела изменяется от 0 до 1 и зависит от природы тела, состояния его поверхности и температуры.
Закон Стефана - Больцмана, выраженный через степень черноты, имеет вид
Т4
ЕС0 100 (2.76)
2.3.4.Лучистый теплообмен между твердыми телами
Рассмотрим случай лучистого теплообмена между двумя стенками, имеющими большую поверхность и расположенными параллельно на небольшом расстоянии одна от другой (см. рис.56). Пусть температуры поверхности стенок постоянно поддерживаются равными T1 и T2, причем T1 >T2. Левая
пенка излучает на правую энергию Е1; часть еѐ, равная 2 Е1 погло-
97
щается, а остальная часть(l - 2 )Е1 отражается обратно на левую,
где часть, равная |
1 (1 |
2 )Е1 , снова поглощается и снова отража- |
ется (1 1 )(1 |
2 )Е1 и т.д. до бесконечности. |
|
Правая стенка излучает на левую энергию Е2. Левая погло- |
||
щает часть ее, равную |
1 Е2 , отражая остальную часть на правую, |
где снова часть поглощается и снова остальная часть отражается.
Чтобы определить энергию Q1 2 которую левая стенка путем излучения передает правой, надо из первоначально излучаемой
энергии Е1 вычесть: 1) то, что возвращается, и 2) ту энергию, которая поглощается из излучаемой правой стенкой. Поскольку наибольшую силу имеют однократное отражение и поглощение, то с некоторым приближением можно принять
Q1 2 1 F 2 E2 F 1
( F - поверхность тела). Тогда на основании закона Стефана - Больцмана получим
|
|
T1 |
4 |
|
T2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
T2 |
4 |
||
Q1 2 1 2C0 |
|
|
|
|
|
F Cпр |
|
|
T1 |
|
|
|
F, Вт |
||||||
100 |
100 |
|
|
100 |
100 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
(2.77) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Спр – приведенный коэффициент излучения, равный |
|||||||||||||||||||
|
|
C |
|
|
|
С |
|
|
С1С2 |
, |
|
|
Вт |
|
|
|
|
||
|
|
пр |
1 2 |
0 |
|
С |
|
|
м 2 К |
4 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
(2.78) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
98
2.4.Процессы теплопередачи
2.4.1.Сложный теплообмен
Рассмотренные выше отдельные процессы переноса тепла - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение в реальных условиях, как правило, протекают одновременно и влияют друг на друга.
Конвекция, например, в газообразных средах обычно сопровождается тепловым излучением, тепловое излучение - теплопроводностью и конвекцией и т.д. Обычно результат одновременного действия отдельных явлений переноса теплоты объединяется. Так, процесс передачи тепла между потоком газа и стенкой является результатом совокупного действия конвективного теплообмена и теплового излучения. Здесь в качестве основного явления принимается конвекция. Количественной характеристикой сложного теплообмена служит эффективный коэффициент теплоотдачи 0 .Он получается путем суммирования переноса теплоты q0 за счет конвекции
q к и излучения q л :
о |
к |
|
q =q |
+q л . |
(2.79) |
Количество теплоты, передаваемое газом с температурой Т г
поверхности стенки с температурой Т ст за счет конвекции, находится из закона Ньютона - Рихмана
q к = к (T г -Т ст ), |
(2.80) |
где а к - коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Количество теплоты, передаваемое излучением, находится по формуле
|
Т |
4 |
|
Т |
4 |
||
|
г |
|
|
ст |
|
||
100 |
100 |
||||||
q л = C о |
|
|
|
|
(2.81) |
Суммируя (2.80) и (2.81), получаем
99
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
Т ст |
4 |
|
|
|
||||
|
к Т г |
|
Т ст |
|
|
Со |
|
Т г |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
q о = |
|
|
|
100 |
|
100 |
|
. |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если вынести за скобку разность (Т г - Тст), то |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Т |
4 |
|
|
|
Т ст |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Со |
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
100 |
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
qо |
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т г |
Т ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т г Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qо |
к |
|
л |
Т г |
|
|
Т ст |
|
|
о Т г |
|
Т ст |
, |
(2.82) |
|
||||||||
|
|
|
Т |
4 |
|
|
|
Т ст |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Со |
|
г |
|
|
|
|
|
|
/ Т г |
|
Т ст |
|
|
|
|
|||||||
л |
100 |
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.83) |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
называется коэффициентом теплоотдачи излучением. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Если стенка омывается капельной жидкостью, |
то |
л |
0 |
и |
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
qо qк
2.4.2. Теплопередача. Уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи
Теплопередачей считается процесс переноса тепла от горячей жидкости к холодной через разделяющую их твердую стенку. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент теплопередачи К, значение которого определяет количество тепла, переданного в единицу времени от одной жидкости к другой
через поверхность стенки в 1м 2 при разности температур между ними в один градус.
Расчетная формула имеет вид
Q KF (t1 t2 ) , |
(2.84) |
100