Инженерный расчёт теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики

Курсовая работа Инженерный расчёт теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики

Введение

Совершенно очевидным является положение, что использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятельности. Теплота — это великий дар природы и естественно желание научиться разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты.

Тепломассообмен — это наука, изучающая процессы распространения тпла и передачи массы вещества в пространство, имеющее непосредственную физическую связь с теплообменом. Явление тепломассообмена распространено в природе и в технике. Например, расчёт и конструирование теплообменных установок в теплоэнергетике, расчёт тепловых двигателей, атомных реакторов, холодильных устройств. Тепломассообмен вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники, являющиеся основой знаний инженеров теплоэнергетиков. При соприкосновении двух тел с разными температурами происходит обмен энергиями, в результате интенсивность движения частиц с меньшей температурой увеличивается, а с большей уменьшается. Значит для возникновения процесса теплообмена необходимо наличие разности температур. Если нет разности, нет и теплообмена.

В этой работе будут рассмотрены процессы нестационарной теплопроводности тел, передачи теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, пузырькового кипения жидкости в трубе, плёночной конденсации пара в трубе. Все эти процессы имеют практическое применение в технике, в котельных установках, поэтому знание и умение их рассчитывать необходимо каждому теплоэнергетику.

1. Нестационарная теплопроводность тел теплопроводность кипение конденсация Задание.

Исследовать процесс нагрева железобетонной плиты при её термической обработке, имеющей размеры S*b*l. Определить распределение температуры по толщине плиты и расход теплоты на единицу её объёма по истечении времени ф в зависимости от интенсивности теплообмена между греющей средой и поверхностью плиты.

В начале термической обработки температура по всему объёму плиты была одинаковой и равной tн. Температура греющей среды в процессе нагрева плиты поддерживалась постоянной и равной t0. Обогрев плиты симметричный. Время процесса нагрева ф определить из условия, что температура на поверхности плиты оказалась равной tc. Скорость потока водяного пара относительно поверхности плиты w. Данные к заданию приведены в таблице 1.

Таблица 1.1 — Исходные данные

1.1 Расчёт Плита толщиной S, выполненная из однородного материала и ограниченная плоскопараллельными поверхностями, по размерам много большими S, подвергается внезапному тепловому воздействию с обеих сторон потоком пара. Процесс нестационарной теплопроводности в плите описывается дифференциальным уравнением:

(1.1)

Считая, что процесс нагрева плиты идёт по обе стороны, начало координат целесообразно поместить в середине плиты по толщине.

Так как на плиту воздействует поток пара, нам необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи от потока пара к поверхности плиты. Для этого необходимо вычислить критерий Рейнольдса, определяемый выражением:

(1.2)

где wскорость потока пара, м/с

l — толщина плиты, м н — коэффициент кинематической вязкости пара, м2/с После этого необходимо вычислить критерий Нуссельта для пара:

(1.3)

где Prж — критерий Прандтля, определяемый для пара по табличным значениям при температуре пара

Prс — критерий Прандтля, определяемый для пара по табличным значениям при температуре стенки Вычислив критерий Нуссельта можно, наконец, определить коэффициент теплоотдачи пара к плите:

(1.4)

где л — коэффициент теплопроводности пара при заданной температуре пара Результаты расчётов приведены в таблице.

Таблица 1.2 — Значения критериев Рейнольдса, Нуссельта, коэффициента теплоотдачи для потока пара при температуре 120? С

Таблица 1.3 — Значения критериев Рейнольдса, Нуссельта, коэффициента теплоотдачи для потока пара при температуре 150? С

Для дальнейших расчётов нам необходимо вычислить критерий Био, определяемый из выражения:

(1.5)

где S — параметр плиты, м л — коэффициент теплопроводности материала плиты,

Решением трансцендентного уравнения

(1.6)

Является бесконечное множество корней (д1, д2, д3, …), но для расчётов нам хватит первых пяти, значения которых приведены в таблицах.

Таблица 1.4 — Значения критерия Био и корней трансцендентного уравнения для потока пара при температуре 120? С

Таблица 1.5 — Значения критерия Био и корней трансцендентного уравнения для потока пара при температуре 150? С

Тогда температурный напор в любой точке сечения плиты можно вычислить по формуле:

(1.7)

где и0 — начальный температурный напор, и0 = tп — tн

Fo — критерий Фурье, вычисляемый по формуле:

(1.8)

где a — коэффициент температуропроводности плиты, a = л/cс Таким образом, для нахождения температурного напора в любом сечении плиты нам необходимо вычислить время ф, которое можно найти, зная разность температур на поверхности плиты.

Таблица 1.6 — Результаты вычислений времени воздействия пара на плиту

Вычислив время ф, можно определить распределение температуры по сечению плиты в момент времени ф.

Количество тепла, подведённое через единицу площади поверхности при её нагреве от начальной температуры до температуры, равной температуре потока пара, определяется по формуле, Дж/м2:

(1.9)

А количество тепла, подведённое к единице площади поверхности за время ф с обеих сторон плиты, ;

(1.10)

Таблица 1.7 — Количество тепла, подведённое к единице площади поверхности за время ф с обеих сторон плиты

Таблица 1.8 — Значение температурного напора в сечениях плиты и количество тепла, подведённое к единице площади поверхности за время ф с обеих сторон плиты при температуре пара 120? С

Таблица 1.9 — Значение температурного напора в сечениях плиты и количество тепла, подведённое к единице площади поверхности за время ф с обеих сторон плиты при температуре пара 150? С

1.2 Выводы Процессы теплообмена, при которых температурное поле изменяется не только в пространстве, но и во времени, называются нестационарными. Это и охлаждение воздуха в течение суток, и охлаждение вскипячённой воды в чайнике с течение времени и многие другие. Из указанных примеров можно выделить два основных вида процесса нестационарной теплопроводности. Первый из них, когда нагретое или охлаждённое тело стремится к тепловому равновесию, второй, когда тело претерпевает периодические температурные изменения.

Если нагревать поверхность плиты, то сначала начинают прогреваться поверхностные слои, затем уже тепло начинает поступать в глубинные слои. Тепло от пара к стенке передаётся конвекцией, которая характеризуется интенсивностью теплообмена.

Рисунок 1.1 — Изменение коэффициента теплоотдачи при увеличении скорости и температуры пара.

Из графиков можно сказать, что увеличение скорости пара ведёт к росту коэффициента теплоотдачи. Причём зависимость прямопропорциональная. Однако по мере увеличения температуры пара влияние скорости снижается.

Рисунок 1.2 — Изменение теплового потока при изменении скорости пара, температура пара 1200С

Количество же тепла, необходимое для нагревания поверхности плиты до температуры пара, снижается при увеличении скорости пара. При повышении температуры пара количество необходимого для нагрева поверхности плиты также уменьшается. Этот факт можно объяснить тем, что поток движущегося вдоль поверхности плиты пара конвекцией передаёт тепло поверхностному слою плиты. От поверхности плиты в глубь тепло распространяется теплопроводностью, которая не зависит от скорости и температуры пара. Нагрев поверхности плиты под воздействием пара происходит быстро. За это время поверхностный слой не успевает отдать тепло другим слоям, а при этом получает новые «порции» тепла. Тепло накапливается и, так как нет возможности быстро его передать, поверхность плиты начинает перегреваться. Этот эффект называют тепловым ударом. Так как разность между температурой поверхности плиты и глубинными слоями велика, то такой режим течения пара может привести к возникновению трещин и разрушению плиты. Из полученных графиком можно сделать вывод, что для прогрева плиты за время ф, самым оптимальным является режим течения пара при температуре 120 градусов и скорости ниже 5 м/с, приблизительно 1−2 м/с. Дальнейшее увеличение скорости пара приводит к тепловому удару поверхности плиты. Применение пара с температурой в 150 градусов неприемлемо, так как даже скорость 5 м/с вызывает тепловой удар.

Рисунок 1.3 — Распределение температуры в плите при температуре пара 1200С.

Рисунок 1.4 -Распределение температуры в плите при температуре пара 1500С

2. Передача теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки Задание Исследовать эффективность оребрения поверхности плоской стенки в зависимости от высоты ребра h и теплопроводныхсвойств его материала при граничных условиях третьего рода.

Плоская стенка с размерами по высоте 800 мм и ширине 1000 мм оребрена продольными рёбрами прямоугольного сечения. По ширине стенки размещено 50 рёбер. Для оптимального размера ребра выполнить расчёты распределения температуры, определить плотность теплового потока, передаваемого ребром, оценить вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой. Данные к заданию приведены в таблице.

Таблица 2.1 — Данные к заданию

2.1 Расчёт Т.к. плоская оребрённая стенка омывается потоком воздуха, то нам необходимо сначала определить теплофизические свойства воздуха. Для нахождения коэффициента теплоотдачи воздуха нам нужно вычислить :

1) критерий Рейнольдса

(2.1)

где l — высота плиты, т.к. нагретый воздух поднимается снизу вверх вдоль рёбер

2) критерий Нуссельта для вынужденной конвекции

(2.2)

3) критерий Грасгофа для случая естественной конвекции

(2.3)

где в=1/273 — температурный коэффициент объёмного расширения воздуха

h — высота стенки

4) критерий Нуссельта для случая естественной конвекции

(2.4)

при

Получив значения критерия Нуссельта для различных скоростей и режимов движения воздуха, можно вычислить коэффициент теплоотдачи воздуха по формуле:

(2.5)

где л — коэффициент теплопроводности воздуха при заданной температуре воздуха Таблица 2.2 — Значения критериев Рейнольдса, Нуссельта, Грасгоффа и коэффициента теплоотдачи для потока воздуха

Зная б, можно вычислить параметр ребра m:

1/м (2.6)

где u — периметр ребра, м;

л — коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/м*К;

f — площадь сечения ребра, м2;

Таблица 2.3 — Значения параметра ребра m

Теперь можно найти температурный напор по высоте ребра по формуле:

(2.7)

где и0 — температурный напор у основания ребра Преобразовав полученные значения температурного напора в изменение температуры по высоте ребра, получим значения, представленные в таблице.

Таблица 2.4 — Значение температуры ребра 0,01 м

Таблица 2.5 — Значение температуры ребра высотой 0,02 м Таблица 2.6 — Значение температуры ребра высотой 0,03 м

Таблица 2.7 — Значение температуры ребра высотой 0,04 м Таблица 2.8 — Значение температуры ребра высотой 0,05 м Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, определяется по выражению:

(2.8)

Таблица 2.9 — Тепловой поток, передаваемый через основание ребра

Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, при абсолютной теплопроводности материала ребра (л=) и при температуре по всей поверхности ребра, равной температуре в его основании, определяется по формуле:

(2.9)

Таблица 2.10 — Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром при абсолютной теплопроводности материала ребра

Тогда отношение действительного теплового потока к максимальному оценивается коэффициентом эффективности продольного ребра прямоугольного сечения:

(2.10)

Таблица 2.11 — Коэффициент эффективности ребра Эффективность оребрения стенки можно оценить, вычислив вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой.

Для этого надо сначала найти тепловой поток ребристой стенки:

(2.11)

После подстановки известных значений можно упростить:

(2.12)

Тепловой поток, отводимый от неоребрённой стенки можно вычислить по формуле:

(2.13)

После упрощения получим:

(2.14)

Тогда коэффициент, учитывающий отношение теплоты, отведённой к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой, вычисляется по формуле:

(2.15)

Таблица 2.12 — Коэффициент эффективности оребрения плоской стенки

2.2 Выводы При обтекании плоской стенки потоком воздуха у поверхности стенки образуется гидродинамический пограничный слой. Скорость потока воздуха в этом слое изменяется от 0 до скорости невозмущённого потока. Течение жидкости в пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным. При ламинарном течении воздух движется «слоями», не смешивающимися между собой, струйками. При турбулентном же режиме возникают завихрения в потоке, что приводит к перемешиванию слоёв жидкости. Таким образом, в гидродинамическом слое у поверхности плиты вначале развивается ламинарный режим, впоследствии переходящий в турбулентный. Этот переход происходит на интервале определённой длины, а не в какой-то точке слоя. Однако даже при развитом турбулентном режиме у самой поверхности плиты образуется тонкий подслой, движение жидкости в котором подчиняется ламинарному режиму.

В гидродинамическом слое, образующемся у поверхности плиты, изменяется не только скорость потока, но и температура от значения на стенке до значения воздуха вдали от поверхности плиты. Надо сказать, что при ламинарном режиме течения температура в пограничном слое по мере отдаления от плиты уменьшается, теплообмен осуществляется за счёт теплопроводности от слоя к слою и к стенке. Турбулентный же режим отличается тем, что при смешении слоёв их температура уравновешивается и теплообмен происходит конвекцией.

Наличие рёбер на плите вносит свои коррективы в процесс теплообмена.

Рассмотрим распределение температуры по высоте ребра.

По мере отдаления от основания ребра к вершине температура начинает снижаться. Тепло в ребре передаётся теплопроводностью. При скоростях 0 и 2 м/с развивается ламинарный режим течения потока воздуха, а при скоростях в 6,12 и 20 м/с ламинарный режим переходит в турбулентный. Этот переход заметен на графиках, так как при турбулентном режиме на теплообмен значительное влияние оказывает скорость потока. В этом режиме слой воздуха, нагреваемый у поверхности стенки и рёбер, перемешивается и сносится холодным набегающим потоком. Интенсивность теплообмена при этом прямопропорциональна скорости потока.

Рисунок 2.1 — Изменение интенсивности теплообмена при увеличении скорости потока воздуха Увеличение высоты ребра приводит к увеличению перепада температур у основания ребра и на вершине. Это можно объяснить тем, что увеличивая высоту ребра, увеличивается и площадь поверхности теплообмена, то есть большее количество тепла отводится от поверхности ребра набегающим потоком.

Материал ребра также влияет на процесс теплообмена. Так как тепло в ребре распространяется теплопроводностью, то вещество, имеющее больший коэффициент теплопроводности, будет лучше проводить тепло от основания ребра к вершине, и как следствие, перепад температур будет меньше, чем для веществ с большим л. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает медь л=370 Вт/м*К, у латуни л=100 Вт/м*К, а у стали л=46 Вт/м*К. Из полученных графиков видно, что перепад температур при высоте ребра 50 мм и скорости потока 20 м/с в меди составляет 20 градусов, у латуни 40, а у стали 50.

Рисунок 2.2 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,01 м Рисунок 2.3 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,01 м Рисунок 2.4 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,01 м Рисунок 2.5 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,02 м Рисунок 2.6 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,02 м Рисунок 2.7 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,02 м Рисунок 2.8 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,03 м Рисунок 2.9 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,03 м Рисунок 2.10 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,03 м Рисунок 2.11 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,04 м Рисунок 2.12 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,04 м Рисунок 2.13 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,04 м Рисунок 2.14 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,05 м.

Рисунок 2.15 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,05 м Рисунок 2.16 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,05 м Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, зависит от коэффициента теплопроводности материала ребра, то есть чем выше этот коэффициент, тем лучше материал проводит подведённое тепло. Однако при различных режимах течения потока воздуха, на количество подводимого тепла влияет скорость потока и высота ребра. При ламинарном режиме прогретый слой теплопроводностью передаёт тепло другому слою и так происходит нагрев воздушного потока, при турбулентном же режиме, тепло прогретого нижнего слоя вихревыми потоками смешивается с другими слоями и отвод тепла идёт интенсивно. Увеличение высоты ребра лишь улучшает отвод тепла за счёт увеличения общей теплообменной поверхности.

Рисунок 2.17 — Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из стали Рисунок 2.18 — Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из меди Рисунок 2.19 — Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из латуни

Увеличение высоты ребра приводит к тому, что влияние скорости потока на максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, уменьшается.

Рисунок 2.20 — Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром Эффективность оребрения с увеличением высоты ребра уменьшается, аналогично влияние скорости теплового потока. Однако для материалов с большим коэффициентом теплопроводности эффективность оребрения уменьшается не так значительно. Поэтому для оребрения плоской стенки эффективнее использовать медные рёбра, однако с экономической точки зрения это не выгодно, так как медь дорогая. Наиболее дешёвым из рассматриваемых материалов является сталь, поэтому для отопления аудиторий, кабинетов, комнат чаще применяют стальные рёбра, хотя эффективность значительно ниже, чем для меди и латуни. Для комнатных условий, когда присутствует естественная циркуляция воздушного потока и нам необходимо нагреть комнату, целесообразнее и экономически выгоднее применять стальные рёбра с высотой 50 мм. В этом случае вклад оребрённой стенки по отношению к неоребрённой больше в 5 раз, для меди в 6 раз, а для латуни в 5,5. То есть это выгодно те только с экономической точки зрения, которая является определяющей при проектировании, но и с технической, так как эффективность находится на уровне с более дорогими медью и латунью.

Рисунок 2.21 — Коэффициент эффективности ребра, выполненного из стали Рисунок 2.22 — Коэффициент эффективности ребра, выполненного из меди Рисунок 2.23 — Коэффициент эффективности ребра, выполненного из латуни Рисунок 2.24 — Коэффициент эффективности оребрения стенки стальными рёбрами Рисунок 2.25 — Коэффициент эффективности оребрения стенки медными рёбрами Рисунок 2.26 — Коэффициент эффективности оребрения стенки латунными рёбрами

3. Конвективный теплообмен при кипении в условиях движения жидкости в трубе Задание.

Исследовать влияние тепловой нагрузки, скорости движения и параметров состояния среды, размеров трубы на коэффициент теплообмена и определить изменения критической нагрузки от давления и предельно допустимой температуры нагрева стенки трубы при кипении в условиях движения двухфазного потока. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 3.1 — Исходные данные к выполнению задания

3.1 Расчёт При кипении жидкости в трубе для нахождения коэффициента теплоотдачи б нам необходимо сначала вычислить коэффициент теплообмена при пузырьковом режиме кипения жидкости в большом объёме бq и коэффициент теплообмена при движении жидкости в трубе в однофазном состоянии бw. Потом определим их отношение, чтобы вычислить значение коэффициента теплообмена при кипении жидкости с учётом движения в трубе.

Для расчёта коэффициента теплообмена при развитом пузырьковом режиме кипения в большом объёме нам необходимо сначала вычислить значение размера l*, соизмеримого с отрывным диаметром парового пузырька, по формуле:

(3.1)

у — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

Тs = ts + 273 — температура фазового перехода, К;

с', с’р, н ', а' - плотность, кг/м3, массовая теплоёмкость, Дж/кг*К, коэффициент кинематической вязкости, м2/с, кипящей жидкости;

с" - плотность сухого насыщенного пара, кг/м3;

r — удельная теплота фазового перехода, Дж/кг.

Теплофизические характеристики воды и водяного пара при соответствующих температуре и давлении выбираются из таблиц авторов Ривкина и Александрова.

Таблица 3.2 — Теплофизические характеристики водя и водяного пара По найденному значению размера l* можем вычислить значение критерия Рейнольдса по формуле:

(3.2)

Как видно, полученные значения Рейнольдса больше 10−2, поэтому критерий Нуссельта вычисляем:

(3.3)

Тогда коэффициент теплообмена при пузырьковом режиме кипения жидкости в большом объёме бq вычисляется по формуле:

(3.4)

Таблица 3.3 — Полученные значения размера l*, критериев Рейнольдса, Нуссельта и коэффициент теплообмена при пузырьковом кипении жидкости в большом объёме

Для расчёта коэффициента теплообмена при движении жидкости в трубе в однофазном состоянии бw необходимо получить значения критерия Рейнольдса, вычисляемые по формуле:

(3.5)

Для расчёта критерия Нуссельта нам необходимо знать значение критерия Прандтля для стенки. Это значение табличное, поэтому нужно вычислить температуру стенки.

(3.6)

Таблица 3.4 — Температура стенки трубы и значение критерия Прандтля при этой температуре.

Критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

(3.7)

Тогда коэффициент бw вычисляем по формуле:

(3.8)

Таблица 3.5 — Полученные значения критериев Рейнольдса, Нуссельта и коэффициента теплообмена при движении жидкости в трубе в однофазном состоянии

Значение коэффициента теплообмена при кипении жидкости с учётом движения жидкости в трубе б рассчитываем, исходя из условия, что:

(3.9)

Таблица 3.6 — Полученные значения коэффициента теплообмена при пузырьковом кипении жидкости в трубе и отношения коэффициентов теплообмена при кипении жидкости в большом объёме и при движении жидкости в однофазном состоянии

Первая критическая плотность теплового потока при кипении в большом объёме (в условиях свободного отвода пара от поверхности нагрева) может быть определена по формуле:

(3.10)

Коэффициент теплообмена бкр вычисляется так же, как и бq, только при q=qкр1.

Тогда предельная температура стенки трубы определяется по формуле:

(3.11)

Таблица 3.7 — Значения критических теплового потока, коэффициента теплообмена и температуры стенки трубы

3.2 Выводы Кипение жидкости в трубе — это сложный процесс, до конца не изученный. Особенность процесса в том, что при кипении жидкости образуется пар и поток становится двухфазным. Кипение жидкости в трубе делят на кипение на твёрдой поверхности и в объёме жидкости. В этой работе будет рассмотрено кипение на твёрдой поверхности, то есть на стенке трубы. Процесс парообразования здесь начинается непосредственно на стенке трубы, так как она имеет наибольшую температуру и происходит перегрев жидкости. Поверхность трубы также имеет шероховатости, на ней могут находиться пузырьки воздуха и пыли, служащие центрами парообразования. Поэтому пузырьки пара начинают зарождаться именно на стенке, чаще всего в углублениях шероховатостей. Пузырёк пара на поверхности стенки характеризуют диаметром и углом краевого смачивания, которые очень важны для оценки процесса теплообмена. Если угол краевого смачивания меньше 90 градусов и диаметр пузырька становится отрывным, тогда пузырёк отрывается от поверхности, если же угол больше 90 градусов, тогда пузырёк не может оторваться, площадь основания пузырька велика, но жидкостью этот участок стенки не смачивается, а значит, снижается интенсивность теплообмена. Однако увеличение теплового потока до некоторой величины приводит к тому, что пузырьки пара у поверхности стенки начинают сливаться, образуя сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в жидкость. А так как коэффициент теплопроводности пара значительно меньше коэффициента теплопроводности воды (в 34 раза), то тепло передаётся от стенки к воде незначительно, что приводит к перегреву стенки и даже её плавлению. Увеличение теплового потока также приводит к турбулизации потока. При этом пристеночный слой частично разрушается, что приводит к увеличению интенсивности теплообмена. Поэтому при оценке кипения жидкости в трубе надо особое внимание уделять парообразованию на поверхности стенки, которое является определяющим в этом процессе.

Увеличение скорости потока жидкости приводит к тому, что пузырьки пара, не достигнув отрывного диаметра, отрываются от поверхности стенки. То есть увеличение скорости потока жидкости ведёт к турбулизации жидкости, и как следствие, к частичному разрушению пристеночного слоя. При этом интенсивность теплообмена линейно возрастает. То есть увеличение скорости потока до некоторой величины приводит к тому, что интенсивность теплообмена становится функцией теплового потока и дальнейшее увеличение скорости потока не влияет на коэффициент. При низких же скоростях (меньше 1 м/с) можно сказать, что интенсивность теплообмена зависит от скорости потока, а увеличение количества подводимого тепла не влияет на альфу. В интервале скоростей от 1м/с до 5 м/с коэффициент теплоотдачи является функцией двух переменных — теплового потока и его скорости.

Рисунок 3.1 — Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=1,1 Мпа Рисунок 3.2 — Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=6,0 Мпа Рисунок 3.3 — Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=10,0 МПа

В момент образования пузырька на него действуют две основные силы: сила давления окружающей жидкости и сила натяжения поверхности пузырька. Эти силы должна уравновешивать сила давления внутри пузырька. Однако если давление жидкости принимает такие значения, при которых разность давлений в пузырьке и окружающей жидкости становится меньше силы поверхностного натяжения слоёв пузырька, он не может существовать и развиваться, поэтому и конденсирует. То есть увеличение давления замедляет процесс парообразования, интенсивность теплообмена возрастает за счёт того, что большее количество тепла передаётся жидкой фазе, имеющей гораздо больший коэффициент теплопередачи, чем паровая фаза потока.

Из графиков видно, что при высоких давлениях (порядка 60 — 100 бар) при увеличении теплового потока коэффициент теплоотдачи возрастает линейно. Это значит, что можно говорить, что, начиная с некоторого значения давления (около 60 бар и выше), коэффициент теплоотдачи зависит только от количества подведённого тепла. При низких же давлениях (ниже 11 бар) интенсивность теплообмена зависит только от давления. При давлениях в интервале от 11 до 60 бар коэффициент теплоотдачи зависит и от давления, и от количества подведённого тепла.

Рисунок 3.4 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 1м/с в трубах диаметра 22, 45 и 85 мм Рисунок 3.5 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 22 мм Рисунок 3.6 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 45 мм Рисунок 3.7 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 85 мм

Геометрические размеры трубы являются важным критерием оценки процесса кипения жидкости в трубе. При различных диаметрах трубы жидкость движется различно. Если рассматривать случай, когда скорость потока в трубе 5 м/с, то при диаметре 85 мм происходит ламинарный режим течения потока. У поверхности стенки образуется паровой слой, который снижает интенсивность теплообмена. По мере уменьшения диаметра трубы происходит турбулизация потока и, как следствие, разрушение пристеночного слоя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Из графиком видно, что начиная с диаметра трубы 45 мм и меньше, коэффициент теплоотдачи зависит только от количества подведённого тепла. Увеличение же диаметра снижает зависимость интенсивности теплообмена от количества подведённого тепла.

Рисунок 3.8 — Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 1,1 Мпа Рисунок 3.9 — Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 6,0 Мпа Рисунок 3.10 — Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 10,0 МПа На интенсивность теплообмена существенное влияние оказывает коэффициент теплопроводности жидкости, который уменьшается при увеличении давление. Это происходит потому, что рост давления приводит к увеличению вязкости среды, а если учитывать, что вязкость мешает перемешиванию жидкости, обусловленному процессом парообразования у поверхности стенки, то происходит уменьшение коэффициента теплопроводности, а значит снижается и интенсивность теплообмена.

4. Конвективный теплообмен при плёночной конденсации пара Задание.

Исследовать влияние параметров состояния пара, его скорости движения, диаметра трубки на коэффициент теплообмена при плёночной конденсации пара для вертикального и горизонтального расположения трубки.

В расчётах учесть коридорную и шахматную компоновку трубок в пучке, эффект от повышения давления пара, степени паросодержания и перегрева пара, зависимость физических параметров теплоносителя от температуры, содержания воздуха в паре, волновой характер течения конденсатной плёнки, а также особенности теплообмена при вертикальном и горизонтальном расположении труб.

Оценить возможность применения конденсатоотводчиков на поверхности вертикально располагаемых трубок.

Рассчитать среднее значение коэффициентов теплообмена, потоки теплоты и количество конденсирующегося пара на поверхностях труб в пучке. Данные к заданию приведены в таблице.

Таблица 4.1 — Исходные данные к выполнению задания

4.1 Расчёт Коэффициент теплообмена при конденсации пара рассчитывается через критерий Нуссельта, который в свою очередь вычисляется через критерии Архимеда или Галилея, Прандтля и Кутателадзе.

Критерий Архимеда для вертикальной трубы вычисляется по формуле:

(4.1)

Критерий Галилея принимают вместо критерия Архимеда, если плотность пара не соизмерима с плотностью конденсата:

(4.2)

Для случая горизонтальной трубы вместо h в формуле принимаем d трубы.

Критерий Кутателадзе:

(4.3)

л — коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м*К с' и с" - плотность жидкости и сухого насыщенного пара, кг/м3

r — удельная теплота фазового перехода, Дж/кг н — коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с

h — высота вертикальной стенки, м

tc — температура стенки, 0С

d — диаметр трубы, м По полученным значениям критериев можно вычислить критерий Нуссельта для вертикальной трубы по формуле:

(4.4)

Критерий Нуссельта для горизонтальной трубы вычисляется по формуле:

(4.5)

По полученным значениям критерия Нуссельта вычислим среднее значение коэффициента теплообмена при конденсации сухого насыщенного пара на трубе.

(4.6)

Таблица 4.2 — Влияние давления на коэффициент теплообмена

Влияние степени сухости пара учитывается критерием Кутателадзе Ка. Для влажного пара значение критерия Ка определяется по формуле:

(4.6)

Таблица 4.3 — Влияние степени сухости пара на коэффициент теплообмена

Для перегретого пара критерий Кутателадзе вычисляется по формуле:

(4.7)

где hп и h" - энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара Энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара являются табличными значениями, поэтому эти данные приведены в таблице.

Таблица 4.4 — Табличные значения энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара

Таблица 4.5 — Влияние степени перегрева пара на коэффициент теплообмена