 |
Теплообмен при продольном обтекании жидкостью плоской поверхности
|
|
|
|
Теплообмен при продольном обтекании жидкостью плоской поверхности
При обтекании плоской поверхности жидкостью (рис. 6) у поверхности образуются два пограничных слоя - гидродинамический и тепловой.
Рис. 6. Схема движения жидкости вдоль плоской поверхности
В гидродинамическом слое скорость жидкости изменяется от нуля на стенке до w1 на внешней его границе. В тепловом пограничном слое температура изменяется от температуры на стенке до температуры жидкости в ядре потока.
Движение в пограничном слое может быть ламинарным и турбулентным. Образующийся в начале обтекаемой поверхности ламинарный пограничный слой при достижении критического значения числа Рейнольдса может перейти в турбулентный слой с тонким ламинарным подслоем (пристенная область, где силы вязкости велики).
Переход ламинарного движения в турбулентное происходит на некотором участке, в пределах которого движение жидкости является переходным.
Среднее значение коэффициента теплоотдачи при обтекании плоской стенки определяется из уравнений:
при ламинарном течении Rе ≤ 4·104
; (21)
при турбулентном течении Rе > 4·104
. (22)
В этих формулах определяющие параметры: температура жидкости вдали от тела (t0 = idem); длина пластины по направлению потока.
7. Теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости
Опыт показывает, что температура кипящей жидкости всегда несколько выше температуры кипения ts. Она остается почти постоянной в направлении от свободной поверхности воды к поверхности теплообмена (рис. 7) и лишь в слое толщиной 2 – 5 мм у самой стенки резко возрастает. Следовательно, в прилегающем к стенке слое жидкость перегрета на Δ t = t – ts, эта величина называется температурным напором.
|
|
|
| Рис. 7. Кривая распределения температуры в воде при пузырьковом кипении в объеме |
В начале кипения - область А (рис. 7) при Δ t = 0 - 5 º С, плотность теплового потока изменяется в пределах q = 100 – 5600 Вт/м2, значение коэффициента теплоотдачи невелико и определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости.
При дальнейшем кипении воды и повышении Δ t значения коэффициента теплоотдачи α и плотности теплового потока q резко увеличиваются и при Δ t =25 º С достигают своего максимального значения: α кр=5, 85·104 Вт/(м2·К), qкр =1, 45·106 Вт/м2. Область В на рис. 8 соответствует пузырьковому режиму кипения.
| Рис. 8. Зависимость плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи от температурного напора при кипении воды при атмосферном давлении |
Последующее повышение величины Δ t приводит к еще более интенсивному процессу образования пузырьков у поверхности теплообмена. Затем, пузырьки сливаются между собой и образуют паровую пленку. Образование паровой пленки приводит к резкому снижению интенсивности теплообмена между поверхностью и жидкостью, вследствие большого термического сопротивления пленки. Область С (рис. 8) соответствует переходному режиму кипения. Следует отметить, что паровая пленка в этой области неустойчива.
При дальнейшем увеличении перепада температур, образовавшаяся на поверхности пленка становится устойчивой.
При некотором значении перепада температур процесс теплообмена стабилизируется, коэффициент теплоотдачи, имеет при этом неизменное значение и не зависит от перепада температур. Плотность теплового потока возрастает за счет увеличения доли теплоты, переданной через паровую пленку излучением. Этому режиму - пленочного кипения на рис. 8 соответствует область D.
|
|
|
В практических расчетах пузырькового кипения воды используются следующие уравнения:
(23)
(24)
Зависимости (23) и (24) действительны в диапазоне давлений от 0, 1 до 5 МПа.
При пузырьковом кипении фреона 12 в диапазоне температур от – 40 до +10 º С для определения α рекомендуется формула
(25)
При кипении фреона 11 может быть использована зависимость
(26)
В уравнениях (23) - (26) используются следующие единицы измерения: q – в Вт/м2, р – в МПа, коэффициент теплоотдачи – в Вт/(м2·К).
При вынужденном турбулентном течении кипящей жидкости в трубах коэффициент теплоотдачи определяется по-разному.
Если обозначить коэффициент теплоотдачи при кипении (23) - (26) α q, а коэффициент теплоотдачи при движении однофазной жидкости (12) α w, то, при α q /α w< 0, 5 коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении движущейся жидкости в трубе α = α w; при α q/α w > 2 имеемα = α q.
В области 0, 5 ≤ α q/α w ≤ 2 коэффициент теплоотдачи определяют по соотношению
. (27)
При пленочном кипении средний коэффициент теплоотдачи определяется следующим образом:
на вертикальной поверхности
, (28)
где λ п – коэффициент теплопроводности пара при температуре насыщения;
r – удельная теплота парообразования; ρ, ρ п – плотности жидкости и пара при температуре насыщения; η п – динамический коэффициент вязкости пара при температуре насыщения; Δ t = tc – ts; h – высота стенки;
на горизонтальном цилиндре
, (29)
где d – наружный диаметр цилиндра.
|
|
|
