2.4 Теплообмен при фазовых превращениях

Теплообмен с фазовыми превращениями - кипение

Фазовый переход

P_s - давление насыщенного пара

t_s - температура насыщения

P=C^te -парообразование при постоянных р и Т

L_v - скрытая теплота парообразования образование пузырьков

- поверхностное натяжение, r - радиус кривизны

рТ (перегрев)

если г 0, р (пузырьки зарождаются всегда на поверхности)

поверхность нагрева и ее свойства играют важнейшую роль в парообразовании (пузырьки формируются преимущественно на шероховатой поверхности, которая образует микропузырьки "активные центры парообразования" или "зародыши")

форма и размеры пузырьков варьируются в зависимости от смачивания

кипение в непроточной воде или "в сосуде" (объемное):

Изменение температуры происходит в пограничном слое на стенке. Механизм и различные режимы кипения зависят главным образом от этой разницы температур.

Режимы кипения:

Вода с давлением 0,1 Мра

зона 1: свободная конвекция (еще нет возникновения пузырьков, т.к. Т_Н>Т_w).

зона 2: пузырьковое кипение ( пузырьки поднимаются вверх и вызывают есте- ственную циркуляцию)

зона 3: переходное кипение

зона нестабильности (только при данной Т_Н)

зона 4: пленочное кипение, продолжается образование пара пленки (изоляция), которое сопровождается передачей тепла

Критическая точка кипения с: нагрев при известном потоке затруднен из-за пленки пара, поэтому температура Т_w резко возрастает ( плавление)

Теплообмен: в общем случае расчётные формулы очень громоздки (большое количество параметров)

аппроксимация по Фритцу:

для воды (р = 0,01 … 15Мра) в

зоне пузырькового кипения

Теплообмен при фазовых превращениях - конденсация

Вид конденсации: зависит существенно от взаимодействия “жидкость - стенка”

Плёночная конденсация (жидкость смачивает поверхность): =8000..12000 Вт/(м²К) значения для водяного пара

Капельная конденсация (жидкость не смачивает поверхность): =30000..40000 Вт/(м²К)

Плёночная конденсация на вертикальной стенке:

Теория Нуссельта (опубликована в 1916)

Фундаментальная гипотеза:

стационарный режим

насыщенный пар (с температурой Т_Н) в состоянии покоя

Т_W - постоянна

стекание плёнки конденсата вниз в ламинарном режиме (под действием силы тяжести)

теплообмен осуществляется теплопередачей сквозь достаточно тонкую плёнку, поэтому градиент температуры через плёнку остаётся постоянным.

скрытая теплота парообразования бесконечно мала, если Р_нас << Р_крит

L - высота охлаждаемой поверхности (для горизонтальной трубы используют L = 2,5d

_L - плотность жидкости

- коэффициент теплопроводности

- кинематическая вязкость

- средняя скорость в плёнке

- гидравлический диаметр = 4b (b: толщина плёнки)

- смачиваемый периметр

- массовый расход конденсата на единицу длины для водяного пара и Т_Н: