Теория теплообмена. Теплопроводность. Основные положения теории теплопроводности. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность при нестационарном режиме. Теплообмен при фазовых превращениях, страница 39

Для расчета среднего a вводится осреднение:

                                           ,

где   a₁, a₂,…, a_m – коэффициенты теплоотдачи по рядам;

        F₁, F₂,…, F_m – поверхности нагрева всех трубок в ряду.

Для воздуха при угле атаки °:

Коридорный пучок:

                                        при  ;

                                       при  .

Шахматный пучок:

                                        при  ;

                                        при  .

При углах атаки ° вводится поправочный множитель e_y, равный отношению:

                                                             .

Тогда:

                                                           .

При осреднении коэффициента теплоотдачи влияние угла атаки учитывается умножением a_пуч на e_y. Угол атаки не учитывается при расчете a в каждом ряду.

7. Теплообмен при фазовых превращениях

7.1. Теплообмен при кипении

7.1.1. Механизм процесса кипения

Кипением называется процесс образования пара внутри объема жидкости. Для возникновения кипения всегда необходим некоторый нагрев жидкости, т. е. превышение температуры жидкости t_ж над температурой насыщения t_s при заданном давлении p. Этот перегрев зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления и свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище поверхность, тем более высоким является начальный перегрев, необходимый для наступления кипения. Если взять очень чистые поверхности и жидкости без растворенных газов и примесей, то кипение возникает после перегрева на десятки градусов с бурным вскипанием, подобным взрыву. Теплота перегрева расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий перегрев объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости мельчайших пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.

Когда же жидкость содержит растворенный газ (например, воздух) или мельчайшие взвешенные частицы, то при нагревании процесс кипения начинается почти сразу, как достигается температура t_s, а сам процесс кипения – спокойный. Присутствующие в жидкости газовые включения и частицы являются зародышами – центрами парообразования.

Начальный перегрев снижается и в случае, когда стенки сосуда имеют на поверхности адсорбированный газ, микрошероховатости, неоднородности, включения, понижающие силы сцепления между молекулами жидкости и поверхности. Образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, называемых центрами парообразования. Кипение в этом случае начинается в слоях жидкости, примыкающих к поверхности и имеющих с нею одинаковую температуру. Этот вид кипения имеет наибольший для практики интерес.

По мере увеличения температуры стенки t_c и соответствующего температурного напора  число центров парообразования растет, кипение становится более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и всплывают к свободной поверхности, продолжая расти в объеме. Это объясняется тем, что температура в объеме жидкости не равна температуре насыщения t_s, а превышает ее (для воды это превышение составляет 0,2 ¸ 0,4 °C).

Рис. 74. Распределение температуры в объеме кипящей жидкости

(t_c = 109,1 C, p_s = 1 бар, q = 22500 Вт/м²)

При повышении температурного напора Dt возрастает поток тепла, отводимый к жидкости. Тепло идет на образование пара. Сохраняется тепловой баланс:

                                                              ,

где   Q – поток тепла, Вт;

        r – теплота парообразования, Дж/кг;

        G² – количество пара, отводимое с поверхности, кг/с.

Тепловой поток при некотором Dt достигает максимального значения – так называемого первого критического значения, а при дальнейшем повышении Dt начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим кипения называется пузырьковым. Для воды при атмосферном давлении величина первого критического значения составляет  Вт/м² при соответствующем температурном напоре  °C в условиях кипения в большом объеме.