Типичные зависимости для теплообмена на вертикальных поверхностях при свободной конвекции.

• Процесс перехода из пара в жидкость есть процесс конденсации. Различают по форме процесса конденсации ПЛЕНОЧНУЮ и КАПЕЛЬНУЮ. В первом случае пар переходит в жидкость – конденсат в форме пленки, текущей по поверхности теплообмена. Тепло переносится при конденсации от пара к границе раздела фаз и через конденсатную пленку к поверхности теплообмена. Пленочная конденсация всегда происходит, когда поверхность теплообмена смачивается конденсатом. Если оказывается, что на самом деле смачивания нет, тогда возникают благоприятные условия для развития процесса капельной конденсации. Если имеет место конденсация чистых однокомпонентных паров, тогда в паровой фазе нет термического сопротивления процессу переноса тепла и все такое сопротивление происходит через пленку конденсата. Поэтому все типичные закономерности пленочной конденсации связаны определяющим образом с режимами и параметрами течений пленки конденсата. Так же как и для других условий движения при течении жидкости в пленке имеют место ламинарный, переходной и турбулентный режимы. Но, в случае пленки конденсата также развивается некий особый режим: на внешней поверхности пленки возникают и развиваются волны. Ими не нарушается ламинарный режим течения, но несколько изменяются средние параметры течения, в частности такой как средняя толщина пленки. Это последнее изменение напрямую влияет на интенсивность переноса тепла через пленку, несколько увеличивая его. В общем случае при пленочной конденсации общее термическое сопротивление в процессе определяется так: Здесь: и естьтемпературы насыщения и поверхности теплоотдачи, и термические сопротивления пленки и границы раздела фаз, соответственно. Для последнего расчетная формула имеет следующий вид: Формула для определения термического сопротивления фазового перехода, в том числе при конденсации, полученная на основе элементарной кинетической теории имеет вид: Здесь: некая функция

коэффициента конденсации, газовая постоянная, давления насыщения отвечающие температуре пара и температуре стенки, соответственно. В большинстве практически важных ситуаций термическим сопротивлением фазового перехода можно пренебречь в сравнении с термическим сопротивлением пленки. Поэтому в всех практически важных задачах определения интенсивности процесса пленочной конденсации расчет сводится к расчетам параметров пленочного течения, в первую очередь толщины пленки конденсата. Эта задача была поставлена и успешно решена Нуссельтом. Следуя его решению имеем: зависимость толщины пленки при ее ламинарном течении от основных режимных и теплофизических параметров имеет такой вид: а для среднего

коэффициента теплоотдачи:

Если в качестве основного режимного параметра принимать не температурный напор, а плотность теплового потока, тогда для коэффициента теплоотдачи получаем: из этих расчетных формул могут быть получены критериальные зависимости в таком виде. Рис. Картины пленочной конденсации на трубах.

• Обобщающие зависимости для расчетов интенсивности теплоотдачи при ламинарной пленочной конденсации имеют такой вид: или при задании плотности теплового потока имеем: длятурбулентного течения пленки конденсата было получено такое уравнение для расчета интенсивности теплоотдачи: турбулентного течения пленки конденсата было получено такое уравнение для расчета интенсивности теплоотдачи:

Значительный интерес представляют процессы конденсации под воздействием движущегося пара, как в условиях внешней так и внутренней задачи. В многом эти задачи имеют готовые решения и рекомендации. Вот некоторые из них Здесь: среднее массовое расходное паросодержание.

Рис. Общие зависимости теплоотдачи при пленочной конденсации на внешней вертикальной поверхности неподвижного или медленно движущегося пара.

Образование пара в объеме жидкости под воздействием тепла, подводимого через стенку поверхности нагрева определяет процесс КИПЕНИЯ. Различают пузырьковое и пленочное кипение. Кипение на поверхности и в объеме жидкости отличается тем, что в втором случае необходимо иметь условия для возникновения паровой фазы, что, как правило сложнее иметь в объеме, чем на поверхности. Наличие узких глубоких впадин способствует появлению в них зародышей новой фазы – пара. Этому также помогает свойство смачивать поверхность жидкостью. Образование паровых пузырей на поверхности нагрева сильно интенсифицирует движение жидкости непосредственно у стенки. Это одна из причин исключительной интенсивности в передаче тепла в этом процессе. Различают также кипение в большом объеме и в каналах; кипение насыщенной и недогретой до состояния насыщения жидкости. Не останавливаясь на возможных и реальных режимах процесса кипения, обсудим наиболее важные из них. Типичные формулы для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении в объеме имеют такой вид: Кроме них есть различные формулы в числах подобия вот типичная формула: она принадлежит С.С.Кутателадзе, в ней: И Есть не менее нескольких десятков подобных формул, их ценность примерно одинакова, все они, в основном эмпирические. Ниже показаны картины развития режимов пузырькового кипения. А далее форме графика показана кривая, иллюстрирующая типичные режимы кипения. Картины начала, развития и основного режима пузырькового кипения.

Рис. Зависимость теплоотдачи при пузырьковом кипении в условиях вынужденной конвекции

Термогидродинамические режимы парожидкостных потоков при различных расходных массовых паросодержаниях. С изменением этого параметра,как правило, значительно изменяется структура и картина течения. Представление о соответствующем этому набору режимов дается ниже:

При вынужденной конвекции кипение сопровождается интенсивными процессами, не связанными с ним. Поэтому возник вопрос: Как рассчитывать интенсивность теплоотдачи в этом случае. Существует несколько вариантов подхода к описанию этого процесса. Все они основаны на различных схемах интерполяции. Например, схема, предложенная Кутателадзе С.С., выглядит так:

Здесь: коэффициенты теплоотдачи при кипении и

вынужденном течении, тоже но для вынужденного течения без кипения и для кипения в свободном объеме для тех же условий (та же жидкость и давление).В инженерных целях кипение используется как процесс с высокой интенсивностью теплотвода. В этих случаях особое значение имеют знания, позволяющие находить те ограничения, когда стабильность процесса нарушается и происходит переход от пузырькового кипения к пленочному, сопровождающийся резким снижением интенсивности теплоотдачи. Этому моменту отвечают некоторые плотности тепловых потоков, называемых КРИТИЧЕСКИМИ. Надежное их определение весьма важно для практики. Один из первых достаточно успешных подходов к этой проблеме также связан с именем С.С.Кутателадзе и предложенной им «Гидродинамической теорией кризисов теплообмена при кипении». Вкратце суть этого подхода в следующем: Предполагается, что возникновение пленочного режима кипения связано с потерей устойчивости той структуры двухфазного граничного слоя, которая предшествовала переходу к пленочному режиму кипения. Из этого следует, что в момент кризисаКинетическая энергия условно вдуваемого в пограничный слой двухфазного потока оказывается достаточной для трансформации в потенциальную энергию устойчивого парового слоя, формирующего пленочное кипение. Эти соображения приводят к такому соотношению:

Здесь: оменту кризиса; теплофизические свойства основного объема жидкости при данном давлении, соответственно. Для более сложных условий кризиса кипения при вынужденном течении идеи этой теории были развиты С.С.Кутателадзе совместно с А.И.Леонтьевым.

Они основывались на представлении, что момент наступления кризиса может быть отождествлен с моментом такого условного вдува пара в двух фазный граничный слой, при котором и произойдет переход к формированию устойчивого парового слоя на поверхности теплообмена. Эти представления дали следующую цепь формул:

Теплоотдача при кипении низкотеплопроводных жидкостей, включая криогенные, а также режимы переходного и пленочного кипения вызывали необходимость поиска путей интенсификации теплообмена для этих условий. Одно из хорошо себя зарекомендовавших связано с нанесением на поверхности кипения пористых покрытий по различным технологиям. Представление о возникающих при этом возможностях даёт информация, представленная ниже:

Результаты экспериментальных исследований влияния типа пористого покрытия на интенсивность теплоотдачи при кипении представлены ниже:

Существенная физическая особенность излучение по сравнению с двумя другими механизмами переноса тепла состоит в том, что оно может не быть связанным с средой, через которую этот процесс осуществляется. Тепловое излучение – сложный процесс переноса энергии элетро – магнитных волн, в котором, по крайней мере дважды происходит преобразование энергии: 1.Сначала тепло тела переходит в энергию излучаемых им электро – магнитных волн (эмиссия), затем движение волн (фотонов) и, наконец, поглощение элетро – магнитных колебаний средой или телом (абсорбция).

Тепловое излучение это процесс распространения поперечных электро – магнитных волн, испускаемых излучающих им телом. Волны распространяются прямолинейно и при поглощении их телом или средой превращаются в теплоту.

Эти волны характеризуются такими параметрами как длина волны и частота.

это длина волны, ее частота и скорость ее распространения (т.е. скорость света). Между ними существует известная связь: Тепловое излучение связано с длинами электромагнитных волн от 0.8 микрона до 0.8 миллиметра. Эта область называется инфракрасной областью излучения. Если в потоке электромагнитных волн присутствуют весь их набор (по длинам), то такое излучение называется ИНТЕГРАЛЬНЫМ. При условии, что не всех длин волны присутствуют в их общем потоке. В этом случае оно определяется как СПЕКТРАЛЬНОЕ. В общем потоке излучения, часть его отражается поверхностью, на которую он поступает, часть поглощается телом и часть (в отдельных случаях) пропускается телом. В соответствии с этим различают и оптические свойства тел. Также как и для других форм переноса тепла, для потоков излучения справедлив закон сохранения энергии. Поэтому сумма потоков отраженного, поглощенного и

пропущенного излучения равна общему падающему на тело потоку.Если обозначить: здесь это общий падающий поток излучения на тело, отраженный поток, поглощенный лучистый поток и пропущенный телом, соответственно, Связь между ними определяется законом сохранения энергии и имеет такой вид:

Каждому из этих потоков соответствует определенное оптическое свойство. Которые определяются следующим образом: отражательная способность

поглощательная способность и пропускательная способность

С учетом ранее записанного уравнения, основанного на законе сохранения энергии получим: Как твердые так и жидкие тела поглощаю тонким слоем, для металлов толщина этого слоя составляет микроны. Для большинства других тел около 1мм, т.е. для этих тел излучение не пропускается и тогда справедливо соотношение: тела, подчиняющиеся этому условию называются СЕРЫМИ. Установлено, газы не отражают излучение, но значительную часть пропускают и некоторую часть поглощают. Такому свойству отвечает формула: Существуют представления о некоторых идеальных по оптическим свойствам телах. Этому отвечают такие условия и определения: Если тело все падающее излучение пропускает, то оно определяется как идеально прозрачное или диатермичное. Если тело все падающее на него излучение отражает, то такое тело называют белым или зеркальным ему отвечают следующие условия для оптических свойств: и, наконец, последний случай идеального по оптическим свойствам тела, когда тело все падающее излучение поглощает, ничего не отражает и не пропускает. Такое тело называют абсолютно черным телом. Ему отвечают следующие соотношения: В природе таких идеальных, с точки зрения оптических свойств тел не существует, но эти понятия оказываются полезными при изучении общих закономерностей лучистого теплообмена. Это относится особенно к понятию идеально черного тела. При определении общих закономерностей теплообмена излучением важным являются понятия СОБСТВЕННОГО и ЭФФЕКТИВНОГО потоков излучения. На основе использования этих понятий выстраивается система балансовых уравнений для расчета общих потоков лучистой энергии. Если обозначить: поток собственного излучения, поток падающего излучения, поглощательную способность тела, и эффективный поток, соответственно. Тогда уравнение, устанавливающее связь между этими потоками таково: Спектральная плотность излучения определяется таким образом: Это соотношение используется для определения полного потока излучения.