8. Опытные данные по теплоотдаче
287
Свободное движение (естественная конвекция)
При свободном движении более нагретые элементарные объемы, имеющие меньшую плотность, поднимаются кверху; их сменяют более холодные объемы, которые опускаются вниз и, нагревшись, также движутся вверх. В результате возникают конвекционные токи теплоносителя в рабочем объеме аппарата, который можно рассматривать как неограниченное пространство.
В данном случае теплоотдача зависит от формы и размеров твердой поверхности нагрева (или охлаждения), температуры этой поверхности, температуры жидкости, коэффициента объемного расширения (3 и других ее физических свойств (Я, а, V, р), а также от ускорения силы тяжести. Вместе с тем скорость движения жидкости не оказывает влияния на теплоотдачу, так как она является функцией независимых переменных, указанных выше. Поэтому критерий Рейнольдса исключается из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции, в котором определяющими критериями подобия являются критерии йг и Рг. Соответственно обобщенное уравнение для а выражается степенной функцией
Ыи = С (йг-Рг)" (VI 1,55)
Значения коэффициента С и показателя степени п зависят от режима движения жидкости, определяемого температурой твердой поверхности, разностью температур между ней и жидкой средой, а также плотностью теплового потока. Числовые значения С и п для различных режимов процесса таковы:
Режим С п
Ламинарный (Ог-Рг<5-102) 1,18 0,125
Переходный (Ог-Рг = 5-Ю2—2-107) .... 0,54 0,25 Турбулентный (Ог-Рг>2-10*) ". 0,135 0,33
Определяющим геометрическим размером в уравнении (VI 1,55) является высота А вертикальной поверхности или внутренний диаметр трубы сЦ,. В качестве определяющей температуры принята средняя температура пограничного слоя, равная (*ст + <ж)/2.
При свободной конвекции в замкнутом ограниченном пространстве (например, в рубашке аппарата) токи поднимающихся и опускающихся частиц уже не разграничены, что усложняет циркуляцию и соответственно — теплообмен. В этих условиях процесс теплообмена рассматривают условно как перенос тепла только теплопроводностью, вводя в расчет эквивалентный коэффициент теплопроводности Хжв, определяемый экспериментально.
Величина Хэкв = Кб, где б — толщина прослойки жидкости (газа), заключенной между двумя стенками; К — коэффициент теплопередачи через стенки и прослойку между ними. Отношение А,экв к обычному коэффициенту теплопроводности X отражает влияние конвекции на теплообмен и носит название коэффициента конвекции ек. Таким образом, А,экв = екЯ, причем при йг- Рг <1 10« коэффициент ек = 1, а при йг- Рг> £> 10ч коэффициент ек!=»0,18 (йг. Рг)0,25.
Б. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния Конденсация паров
В химической аппаратуре теплоотдача от конденсирующегося пара осуществляется, как правило, в условиях пленочной конденсации. При пленочной конденсации термическое сопротивление, практически полностью сосредоточено в пленке конденсата, температура которой со стороны стенки принимается равной температуре стенки /ст, а со стороны пара — температуре насыщения пара (рис. VII-11). По сравнению с термическим сопротивлением пленки соответствующее сопротивление паровой фазы пренебрежимо мало.
288 I л. VII. Основы теплопередачи в химической аппаратуре N11 = / (Са, Рг. К) (VI 1,56) Ыи = С (ва •Рг-Л)0,2ь (VI 1,57) где К — —Г-~— — критерий, характеризующий изменение агрегатного состояния, или сж а< критерий конденсации (г — теплота конденсации; сж — теплоемкость кон- денсата; А/= 1и— 4г). Рис. УП-Н. Распре- Ыи = , йа = -*йж- , рг=^^, V >4рж£' Ы1 гге I — определяющий геометрический размер. 1 (VI 1,58)Режим течения пленки является функцией критерия Рейнольдса: с увеличением толщины пленки ламинарное течение пленки, имеющей гладкую поверхность, переходит в волновое (см. стр. 115), а затем ста- новится турбулентным. Кроме физических свойств конденсата (плотности, вязкости, теплопроводности) на теплоотдачу влияет шероховатость стенки, ее положение в пространстве и размеры стенки; в частности, с увеличе- нием шероховатости поверхности и высоты вертикальной стенки пленка конденсата утолщается книзу (см. рис. У11-11).Обобщенное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи от конденсирующихся паров имеет видпричем на основе обработки опытных данных эту функцию можно пред- ставить уравнениемВходящие в (VII.57) критерии ва и Рг отнесены к пленке конденсата.Выражение для критерия конденсации К находят путем подобного преобразования дифференциального уравнения, характеризующего гра-ничные условия. Это уравнение получают, приравни- вая количество тепла, выделяющегося при конденса- ции пара на элементе поверхности йР стенки, коли- честву тепла, отводимого через пленку конденсата посредством теплопроводности (по закону Фурье). Критерий Л' следует рассматривать как меру отно- шения теплового потока, затрачиваемого на фазовое превращение, к теплоте перегрева или переохлажде- ния фазы при температуре ее насыщения.При пленочной конденсации переменной, лими-тирующей теплоотдачу, является толщина пленки деление температур конденсата. Скорость же пара обычно не достигает в пленке конденсата, значения, достаточного для срыва пленки, и в усло- вия однозначности ие входит. Обобщенное уравне- ние для пленочной конденсации вместо критериев Ке и Рг (в отдельно- сти) включает производный критерий йа = Не2/Рг = #/Л>2, который отражает подобие сил тяжести, действующих на более тяжелую фазу в двухфазном потоке пар—конденсат.Подставив в уравнение (VII,57) кпитерииЯ* ’ >4 1,.Л*и сократив подобные члены, получим А'Значение температурного напора Д/=?„— ?ст в уравнении (VII,58) практически трудно определить. Ьолее удобно выражать а в форме зависимости критерия Мип„, отнесенного к пленке конденсата, от Яспл — критерия, в более явном виде отражающего гидродинамику процесса.
Yandex.RTB R-A-252273-3