Физика. Примеры решения задач контрольной работы

Примеры решения задач по физике
Кинематика
Движение материальной точки
Основное уравнение динамики
Законы сохранения импульса и энергии
Динамика вращательного движения
Механические колебания
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ  ФИЗИКА
Механика
Молекулярная физика и термодинамика
Электричество
Электромагнетизм
Атомная и ядерная физика
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Термодинамические процессы
Описание теплопроводности
Теплоотдача в жидкостях и газах
Теплоотдача при фазовых переходах
Тепловое излучение
Теплообменные аппараты
  Кинематика поступательного движения
Электростатика

 

Теплоотдача при фазовых переходах

 Особенности теплоотдачи при кипении. Кипением называют процесс парообразования в жидкости, перегретой выше температуры насыщения, при котором паровые пузырьки образуются в отдельных точках твердой поверхности нагрева – центрах парообразования. Этими центрами являются микровпадины шероховатостей стенки и мельчайшие твердые частицы. Максимальный перегрев жидкости, равный температурному

напору , наблюдается у поверхности нагрева. Чем больше перегрев жидкости , тем меньше минимальный радиус возникающего на поверхности нагрева парового пузырька: , где  − поверхностное натяжение на границе “пар − жидкость”. Этот радиус определяет порядок размеров тех элементов шероховатостей, которые могут быть центрами парообразования. Таким образом, увеличение перегрева  приводит к уменьшению размеров   и к появлению все большего количества действующих центров парообразования. Пузырьки растут на поверхности нагрева и отрываются от нее при достижении размера . Через некоторое время  в этом месте появляется новый пузырек и цикл повторяется. Произведение (м) на частоту отрыва характеризует среднюю скорость роста паровых фрагментов на поверхности нагрева .

 За счет выталкивания паровыми фрагментами перегретой жидкости из пристенного слоя и «организации» подтекания к стенке более холодной жидкости (ячеистая циркуляция кипящей жидкости), переноса тепла от стенки паровыми пузырьками и турбулизации ими жидкости в пристенном слое обеспечивается высокая интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости. По существе, этот эффект можно объяснить минимилизацией толщины пристенного пограничного слоя в дифференциальном уравнении теплоотдачи (135) , следовательно . Интенсивность парообразования при кипении характеризуется величиной , где − плотность теплового потока при кипении жидкости в большом объеме. Следовательно, температурный напор  при теплоотдаче одновременно является и определяющим параметром перегрева кипящей жидкости.

 Плотность теплового потока , отводимого от греющих источников (парогенераторов ядерных реакторов, криогенных систем и др.), может быть весьма высокой ( Вт/м2 ) при умеренных температурных напорах (), и этот процесс часто используют для отвода больших тепловых потоков на относительно малых по площади поверхностей нагрева.

 На рис.17 представлена зависимость  от  при кипении в большом объеме.

Рис.17 – Характер зависимости при кипении.

 С повышением температурного напора интенсифицируется пузырьковое кипение и плотность  достигает величины  Вт/м2. При определенном максимальном перегреве  наступает первый кризис кипения: при  паровые пузырьки на поверхности нагрева сливаются в сплошной паровой слой, оттесняющий жидкость от стенки (пленочное кипение). Вследствие более низкой теплопроводности пара  и прекращения действия «кипящего» эффекта теплоотдача резко снижается. При минимальной плотности , когда вся стенка покрыта пленкой, наступает второй кризис кипения (перегрев жидкости в этой области достигает сотен градусов), момент перехода пузырькового кипения в пленочное может сопровождаться разрушением поверхности теплообмена.

 В связи со сложностью процесса кипения существуют различные формулы для определения коэффициента теплоотдачи , обобщающие результаты теоретических и экспериментальных исследований. Для области пузырькового кипения   расчетные формулы представляют в виде

  (145)

где, согласно опытным данным, для различных жидкостей . Например для кипения воды при давлении  бар применяют формулу, Вт/м2К:

 , (146)

где − в бар, -в Вт/м2.

 При вынужденном течении кипящей жидкости в трубах интенсивность теплообмена определяется соотношением влияния собственного процесса парообразования () и вынужденной конвекции (). Если скорость течения  мала, то интенсивность теплоотдачи определяется главным образом процессом кипения. Для расчета коэффициента теплоотдачи  при течении кипящей жидкости в каналах применяют интерполяционную формулу:

 , (147)

где  − искомый коэффициент теплоотдачи;  и − соответственно коэффициенты теплоотдачи при вынужденном течении «некипящей» жидкости в трубе и при пузырьковом кипении, когда влияние скорости отсутствует. Пределы применимости формулы ограничены величиной объемного паросодержания .

 Следует заметить, что все обобщенные уравнения вследствие статистической природы процесса кипения и неопределенности взаимосвязи между свойствами жидкости и поверхности нагрева характеризуют средний уровень теплоотдачи в пределах погрешности 30…40 %.

На главную