Теплоотдача при кипении жидкости (вариант 5.2)

5.2 Расчетная часть
5.2.1 Дано: в большом объеме «насыщенной» жидкости, на вертикальной поверхности кипит вода при атмосферном давлении Рбар = 105 Па = 1 бар = 750 мм рт. ст. Плотность теплового потока на поверхности qс, Вт/м2.
Рассчитать:

5.2.1.1 Коэффициенты теплоотдачи α (в области пузырькового кипения воды) и температурные напоры Δt = tс – tн при различных плотностях теплового потока qс на поверхности теплообмена.
Коэффициент теплоотдачи определим по следующей формуле:
α=3,0∙q^0,7∙p_н^0,15;
α_1=3,0∙(8,0∙〖10〗^5 )^0,7∙1^0,15=40670Вт/(м^2∙℃);
α_2=3,0∙(9,0∙〖10〗^4 )^0,7∙1^0,15=8812Вт/(м^2∙℃);
α_3=3,0∙(6,0∙〖10〗^3 )^0,7∙1^0,15=1323Вт/(м^2∙℃).

5.4 Расчетная часть

5.4.1 Дано: В трубе диаметром d = 0,025 м при давлении Р = 1,5 МПа движется вода в состоянии насыщения со скоростью циркуляции wц и тепловых потоках на поверхности теплоотдачи qс (табл. 1).
Рассчитать:

5.4.1.1 Значения средних коэффициентов теплоотдачи α от поверхности трубы к кипящей жидкости.
5.4.1.2 Исследовать влияние на величину α теплового потока и скорости циркуляции.
Коэффициент теплоотдачи при кипении в большом объеме:
α_кип1=3,0∙(8,0∙〖10〗^5 )^0,7∙〖15〗^0,15=61051 Вт/(м^2∙℃);
α_кип2=3,0∙(9,0∙〖10〗^4 )^0,7∙〖15〗^0,15=13228Вт/(м^2∙℃);
α_кип3=3,0∙(6,0∙〖10〗^3 )^0,7∙〖15〗^0,15=1987Вт/(м^2∙℃).

5.1 Теоретическая часть
Кипением называется процесс образования пара внутри объема жидкости в виде паровых пузырьков или паровой пленки.
При конвективной теплоотдаче кипение происходит около нагретой поверхности теплообмена (около стенки). Если при этом происходит свободная конвекция жидкости в «неограниченном» пространстве, то процесс называют «теплоотдачей при кипении в большом объеме». Объем считается большим (неограниченным), если изменение его размеров не влияет на процесс теплообмена между жидкостью и стенкой. В противоположность этому процесс называют «теплоотдачей при кипении в ограниченном объеме», например при кипении жидкости в трубах.

5.1.1 Пузырьковый режим
Радиус межфазной поверхности пузырька-зародыша пропорционален размеру образующей его микрошероховатости на поверхности стенки. Поэтому в начале пузырькового режима кипения, при незначительном перегреве жидкости, «работают» лишь крупные центры парообразования, поскольку пузырьки-зародыши малых центров имеют радиус меньше критического. С увеличением перегрева жидкости активизируются более мелкие центры парообразования, поэтому количество образующихся пузырей и частота их отрыва возрастают.
В результате интенсивность теплоотдачи чрезвычайно быстро увеличивается (рисунок 2, область 2). Коэффициент теплоотдачи () достигает десятков и даже сотен тысяч Вт/(м2К) (при высоких давлениях). Это обусловлено большой удельной теплотой фазового перехода и интенсивным перемешиванием жидкости растущими и отрывающимися пузырьками пара.
Режим пузырькового кипения обеспечивает наиболее эффективную теплоотдачу. Этот режим применяется в парогенераторах тепловых и атомных электростанций, при охлаждении двигателей, элементов конструкции энергетических, металлургических, химических агрегатов, работающих в условиях высоких температур.

5.3 Теоретическая часть
Теплоотдача при кипении в трубах и каналах существенно отличается от теплоотдачи при кипении в большом объёме, потому что процесс непрерывного парообразования оказывает существенное влияние на гидродинамику течения, а, следовательно, и на теплообмен. При кипении в трубах с постоянным подводом теплоты происходит непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фазы. Гидродинамическая структура двухфазного потока также зависит от расположения труб и каналов в пространстве.
В настоявшее время математическое моделирование течения и теплообмена двухфазных потоков чрезвычайно сложная и трудоемкая задача, поэтому информацию об уровне теплоотдачи при кипении в трубах и каналах получают из эксперимента. На рисунке 4 изображена зависимость коэффициента теплоотдачи в зависимости от плотности теплового потока, поступающего на поверхность трубы и скорости течения двухфазного флюида. При малых скоростях течения коэффициент теплоотдачи не зависит от скорости, а зависит только от теплового потока (тепловой нагрузки), поступающего к пароводяной смеси (участок 1). В этом случае расчет теплоотдачи при кипении в трубах аналогичен расчету при кипении в большом объеме. При больших скоростях двухфазного потока, наоборот, теплоотдача зависит только от скорости течения флюида – наблюдается турбулентный режим конвективного теплообмена (участок 3). Существует и переходный участок от режима кипения воды в большом объеме до режима конвективного теплообмена при турбулентном течении в трубах.

Тема 5. Теплоотдача при кипении жидкости

Задание
А). Дано: в большом объеме «насыщенной» жидкости, на вертикальной поверхности кипит вода при атмосферном давлении Рбар = 105 Па = 1 бар = 750 мм рт. ст. Плотность теплового потока на поверхности qс, Вт/м2 (табл. 5).
Рассчитать:
- коэффициенты теплоотдачи (в области пузырькового кипения воды) и температурные напоры Δt = tс – tн при различных плотностях теплового потока qс на поверхности теплообмена;
- значение первой критической плотности теплового потока qкр1 и Δtкр;
- построить график зависимости коэффициента теплоотдачи при кипе-нии воды α от температурного напора Δt = tс – tн (включая значение αкр1) и от плотности теплового потока q.
Б). Дано:
В трубе диаметром d = 0,025 м при давлении Р = 1,5 МПа движется вода в состоянии насыщения со скоростью циркуляции wц и тепловых потоках на поверхности теплоотдачи qс (табл. 5).
Рассчитать:
- значения средних коэффициентов теплоотдачи α от поверхности тру-бы к кипящей жидкости,
- исследовать влияние на величину α теплового потока и скорости циркуляции.

Таблица 5 Исходные данные для выполнения задания по теме 5