Теплообмен при кипении

Для воды при кипении под атмосферным давлением наблюдается два критических режима. Первый – начало перехода от пузырькового к пленочному режиму кипения. Параметры этого режима Dt_кр1 =25°С; a_кр1 =46500 Вт/(м²×К); q_кр1 =1,16×10⁶ Вт/м².

Второй – конец перехода к пленочному кипению. Параметры этого режима Dt_кр2 =150К; a_кр2 <a_кр1; q_кр2 < q_кр1.

При пузырьковом кипении жидкости в большом объеме коэффициент теплообмена рассчитывают по формуле

При Rе_a ³10^-2

Nu_к =0,125 Re ^0,125× Pr ^1/3. (2.36)

При Rе_a £10^-2

Nu_к =0,0625 Re ^0,5× Pr ^0,33, (2.37)

где ; ; ,

где v – кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

r – теплота парообразования, кДж/кг;

c_p – удельная массовая теплоемкость жидкости, кДж/(кг×К);

a – температуропроводность, м²/с;

l – теплопроводность жидкости, Вт/(м×К);

s – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, при температуре насыщения t_н;

r’ и r” – плотности жидкости и пара при температуре насыщения, t_н;

T_н – температура насыщения, К;

l_к – определяющий размер, м.

Формулы (2.36) и (2.37) можно применить при 0,86£Pr_к£7,6; 10^-5£Re_к£10⁴ и давлении 0,045£r£175 бар.

q – поверхностная плотность теплового потока при кипении, Вт/м².

Если число Нуссельта Nu_к является функцией температурного напора при пузырьковом кипении в большом объеме при 0,86£Pr£7,5; 10^-5£Re_к£10⁴, давлении 0,045£r£175 бар и 0,05£ £200 можно применить формулы:

при >1,6

Nu_к =2,63×10^-3 ; (2.38)

при £1,6

Nu_к =3,91×10^-3 ; (2.39)

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах, когда она нагрета до температуры насыщения, коэффициент теплообмена рассчитывают по следующим формулам:

при a_к/a_w £0,5 a=a_w; (2.40)

при a_к/a_w ³2 a=a_к; (2.41)

при 0,5£a_к/a_w£2 , (2.42)

где a - коэффициент теплообмена при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах, Вт/(м²×К);

a_к – коэффициент теплообмена при развитом пузырьковом кипении в большом объеме, определяемый формулами (2.36), (2.37), (2.38) и (2.39);

a_w – коэффициент теплообмена при турбулентном движении однофазной жидкости в трубах, определяемым по формуле

.

Формулы (2.40), (2.41) и (2.42) справедливы для воды при давлении от 1×10⁵ до 86×10⁵ Па, скоростях движения теплоносителя от 0,2 до 6,7 м/с и объемном паросодержании до 70%.

Коэффициент теплоотдачи a для хладонов в трубах определяют по формулам:

; (2.43)

. (2.44)

Значение функции f(p) приведено в таблице (2.5)

Коэффициент теплоотдачи a при кипении аммиака в трубах определяют по формулам

a =(27,3+0,04 t_н) q ^0,45 d ^-0,24; (2.45)

a =(27,3+0,04 t_н)^1,818× Dt ^0,818 d ^0.436 (2.46)

Формулы (2.45) и (2.46) справедливы при t_н =-30…0°С и q =1000…14000 Вт/м².

Таблица 2.5 Значение функции f(p)

Коэффициент теплоотдачи в трубах с накатными ребрами (высота ребер 1,5…2 мм, шаг 0,8…2 мм) определяют по формуле

a=a_этe_пр, (2.47)

где e_пр – поправка, учитывающая влияние на теплообмен числа п рядов труб по высоте пучка;

a_эт – средний коэффициент теплоотдачи эталонного (шестирядного) пучка.

При q =0,5…9 кВт/м² и t_o=-30…+20°C для шестирядного пучка

a_эт =335 Dt(r_н ×10^-5)^0,5; для R12 (2.48)

a_эт =568 Dt^0,82(r_н ×10^-5)^0,45; для R22 (2.49)

где r_н – давление насыщения, Па.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении на поверхности применяются формулы

a = с ^3,125 Dt ^2,088(r ×10^-5)^2,282; (2.50)

a = сq ^0,68(r ×10^-5)^0,73; (2.51)

, (2.52)

где . Здесь с_р – удельная массовая теплоемкость хладона, кДж/(кг×К); d – диаметр цилиндра, м. Значения коэффициента с приведены в таблице 2.4, функции f(p) в таблице 2.5.

Таблица 2.4 Значения коэффициента с в уравнении (2.50)

Пример 2.13 Определить поверхностную плотность теплового потока поверхности нагрева паронагревателя при пузырьковом кипении воды в большом объеме, если вода находится под давлением 0,62 МПа, а температура поверхности нагрева t_c =175°C.

Решение. По приложению А таблица А4 при давлении р =0,62 МПа находим t_н =160°С, Pr_ж =1,1, l_ж =0,683 Вт/(м×К), r =2082,6 кДж/кг, g_ж =0,191×10^-6 м²/с, r” =3,25 кг/м³

и , то число Нуссельта определяем по формуле (2.38)

.

Коэффициент теплоотдачи Вт/(м²×К).

м.

Поверхностная плотность теплового потока

q=a×Dt =52800×15=790000 Вт/м².

Пример 2.14 Вода под давлением р =8×10⁵ Па движется в трубе с внутренним диаметром d_вн =18 мм со скоростью w =1 м/с.

Определить коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей воде, если температура внутренней поверхности трубы 173°С.

Решение. Определяем теплофизические параметры воды по приложению А таблица А5 при р =8×10⁵ Па и t_н =170,4°С; g_ж =0,181×10^-6 м²/с, l_ж =67,9×10^-2 Вт/(м×к), Pr_ж=1,05.

При t_с =173°С, Pr_с =1,04.

Коэффициент теплоотдачи a_w при давлении однофазной жидкости

,

где Nu_ж =0,21 .

Число

Тогда Nu_ж =0,21×(99447)^0,8×(1,05)^0,43 .

Следовательно Вт/(м²×К)

Определяем значение коэффициента теплоотдачи a_к при пузырьковом кипении в большом объеме.

При t_н =170,4°С

и расчет ведем по формуле (2.39)

;

Вт/(м²×К)

Определяем отношение коэффициентов a_к/a_w:

Так как a_к/a_w <0,5 то a = a_w =8040 Вт/(м²×К).

Пример 2.15 Хладагент R12 кипит в горизонтальных трубах, внутренний, диаметр которых 16 мм. Массовый расход хладагента m_t =85 кг/ч. Температура насыщения – (-30°С). Определить температурный напор, при котором поверхностная плотность теплового потока q =4650 Вт/м².

Решение. Согласно закону Ньютона-Рихмана

q=a(t_ж-t_c)=aDt.

Тогда ;

Значение коэффициента теплообмена a можно определить по уравнению (2.43)

Вт/(м²×К).

°С

Значение f(p) выбираем из таблицы 2.3 по температуре насыщения для R12.

Пример 2.16. В горизонтальном кожухотрубном испарителе холодильной машины R22 кипит в стекающей по наружной поверхности труб пленке. Температура кипения t_н =-18°С.

Определить коэффициент теплообмена и поверхностную плотность теплового потока.

Решение. При заданной температуре насыщения t_н =-20°С по приложению А таблица А10 находим давление насыщения р_н=2,4614×10² кПа.

Коэффициент теплоотдачи по уравнению (2.50)

a = с ^3,125 Dt ^2,088(r ×10^-5)^2,282;

Значение коэффициента с для данной температуры t_н=-20°С выбираем из таблицы 2.4 для R22 c=5,9.

Таким образом

a =5,9^3,125 × 2^2,088×2,46^2,282=8503 Вт/(м²×К)

Поверхностная плотность теплового потока

q=a(t_ж-t_c)= 8503(-18-(-20))=17006 Вт/м².

Поиск по сайту: