Теплоотдача в жидких металлах

Иногда в качестве рабочих жидкостей применяют расплавленные металлы, обладающие существенными преимуществами. по сравнению с газами и жидкостями. Расплавленные металлы имеют высокую температуру кипения, большие коэффициенты теплоотдачи и термически устойчивы. Жидкие металлы применяют в тех случаях, когда при низких давлениях требуется передавать теплоту высоких потенциалов. Водяной пар для этих условий мало пригоден - при высоких температурах он имеет большое давление. Газы также имеют существенные недостатки - малый коэффициент теплоотдачи и небольшую теплоемкость.

В качестве теплоносителей применяют натрий, калий, натриево-калиевый сплав, литий, висмут, ртуть, олово, сплавы висмута и олова и другие.

Для определения коэффициента теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении щелочных и тяжелых металлов рекомендуется следующая формула:

Ми_ж,=4,5 ₊ 0,0ЩКе_Ж(1Рг_ж)⁰'\ (2.130)

Здесь за определяющую температуру принята средняя температура жидкого металла, за определяющий размер - эквивалентный диаметр канала. Формула (2.130) применима при числах Ке_жс] - 10⁴ ■*■ 10^б, Рг_ж = 0,004 + 0,032 и при соотношении Ш> 30.

Поправка на длину трубы г при Ш < 30 определяется по уравнению е = \,12{(Щ '.

От направления теплового потока и температурного напора коэффициент теплоотдачи жидких металлов не зависит. Формула (2.130) применима для чистых поверхностей нагрева и герметичных контуров нагрева, заполненных нейтральным газом.

При свободном движении щелочных и тяжелых металлов, а также их сплавов рекомендуется следующее уравнение:

Ми_сг=С-вг_с^п_гРг%\ (2.131)

В этом уравнении С и п находятся в зависимости от значений критерия Ог_сг:

• при Сг_сг ~ 10² -*- 10⁹ С - 0,52 и и = 0,25 (ламинарный режим);

• при Сг_сг - 10⁹ * 10¹³ С = 0,106 и п = 0,33 (турбулентный режим).

За определяющую температуру принята средняя температура пограничного слоя 1аГ 0,5^ + 1_ст). За определяющий размер приняты: для вертикальных пластин - их высота, для горизонтальных труб - внешний диаметр.

2.4.8. Теплоотдача при кипении жидкости

В предыдущих подразделах рассматривались, процессы, в которых теплоноситель не менял своего агрегатного состояния. В данном подразделе рассматриваются процессы кипения жидкости, при которых происходит переход жидкой фазы в парообразную. Переход теплоносителя из одного агрегатного состояния в другое влияет на механизм и интенсивность теплообмена.

^ Рассмотрим процесс теплоотдачи при кипении жидкости. Теплообмен при кипении

воды является важнейшим процессом, протекающим в парогенераторах (котлах), различных 1 испарителях и атомных реакторах.

-ч Кипением называется парообразование, характеризующееся возникновением новых

свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости, нагретой выше ] температуры насыщения. Характерной особенностью процесса кипения является и) образование пузырьков пара.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена и кипение в объеме 1 жидкости.

Л Объемное кипение может происходить при перегреве жидкости относительно

температуры насыщения при данном давлении. Объемное кипение можно получить при 1 быстром уменьшении давления или при наличии в жидкости внутренних источников -1 теплоты.

В современной теплоэнергетике обычно встречаются процессы кипения на твердых ] поверхностях, поэтому они и будут рассматриваться в дальнейшем.

и Процесс кипения на твердой поверхности может возникнуть тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности "теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара я происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках этой 1 поверхности, называемых центрами парообразования. Центрами образования пузырьков пара являются неровности самой стенки, микротрещины поверхности нагрева, частицы накипи, а также адсорбированные на поверхности нагрева газы. Количество образующихся ^п пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При испарении жидкости в полости пузырей объем их увеличивается, и при

. достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают

наверх, а на их месте возникают новые пузырьки (рис. 2.36). Размер пузыря при отрыве

¹ определяется условиями механического равновесия между подъемной силой, стремящейся

. оторвать пузырек от поверхности, и силой поверхностного натяжения, удерживающего его

на поверхности. Рост пузырьков до отрыва от обогреваемой поверхности и движение их

после отрыва вызывают

интенсивную циркуляцию и

перемешивание жидкости в

пограничном слое, вследствие чего

резко возрастает интенсивность

теплоотдачи от поверхности к

жидкости. Такой режим называется

пузырьковым кипением. Число

центров парообразования на

Рис. 2.36. Схема зарождения паровых пузырей в микротрещине обогреваемой поверхности (а) и распределение температур по высоте сосуда с кипящей водой (б)

греющей поверхности увеличивается

по мере роста плотности теплового

потока ^, поскольку при этом

увеличивается перегрев жидкости у

стенки.

Механизм парообразования и интенсивность теплообмена определяются разностью

температур стенки и жидкости (температурным напором) А(- \_ст - (_ж. На рис. 2.37.

изображена типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и тепловой нагрузки

(плотности теплового потока) от температурного напора.

При значениях А1 < 5 °С количество отделяющихся от поверхности нагрева пузырьков невелико и пузырьки еще не способны вызвать существенное перемешивание жидкости. В этих условиях интенсивность теплообмена определяется свободным движением жидкости и коэффициент теплоотдачи слабо увеличивается с ростом А(. Такой режим кипения происходит в зоне естественной конвекции (см. рис. 2.37).

Дальнейшее увеличение температурного напора А( сопровождается ростом числа пузырьков пара, и их движение после отрыва вызывает интенсивное перемешивание жидкости. Наступает режим развитого пузырькового кипения, при котором коэффициент теплоотдачи и тепловая нагрузка резко возрастают (зона пузырькового кипения на рис. 2.37).

10³ Л/,°с

Рис. 2.37. Зависимость плотности теплового потока д и коэффициента теплоотдачи а от величины перегрева стенки А(

При некоторой величине А( отдельные пузырьки пара начинают соединяться и образуют паровую пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности нагрева, а затем отделяет полностью жидкость от поверхности нагрева. Пленка периодически разрушается и уходит от поверхности в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся пленки возникает новая. Такой режим кипения называется пленочным.

В этих условиях теплота передается от поверхности нагрева к жидкости путем теплопроводности, конвективного теплообмена и

излучения, а испарение происходит с поверхности пленки. Так как теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, то появление паровой пленки приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи (зона пленочного кипения на рис. 2.37).

Когда пленка устойчиво покроет всю поверхность нагрева, условия теплообмена стабилизируются и при дальнейшем росте А( коэффициент теплоотдачи остается практически неизменным, а тепловая нагрузка увеличивается пропорционально А(.

В области перехода пузырькового кипения в пленочное зависимость д = ДА() имеет максимальное значение. Величины А(, ц, а, соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочное, называются критическими.

Критические параметры, соответствующие переходу пузырькового кипения в пленочное, для воды составляют: А(_кр = 25 °С, а_кр = 46 500 Вт/(м -К); д_кр = 1,16 • 10 Вт/м.

В технике стараются не приближаться к критической тепловой нагрузке д_кр\, соответствующей переходу к пленочному режиму кипения. Дело в том, что в аппаратах, в которых тепловой поток задается независимо от интенсивности теплоотдачи (например в электронагревателях), случайное даже непродолжительное по времени превышение тепловой нагрузки над 'д_кр\ приведет к переходу в пленочный режим кипения, и температура нагревателя резко возрастет - почти на 1000 °С (см. рис. 2.37), Даже легированные стали не выдерживают столь высоких температур. Обратный переход к пузырьковому кипению происходит только при достаточно сильном снижении тепловой нагрузки (до д^)-

Для расчета коэффициента теплоотдачи а, Вт/(м²-°С), при пузырьковом режиме кипения воды и давлении насыщенных паров р₅ = 1-200 бар можно использовать формулу

о » 0,7 0,18 ло _Л л,2,33 „0,5

а = 3,4д Р₈ =33,4ж р/,

(2.132)

где д - плотность теплового потока, Вт/м²; р₅ - давление насыщенных паров воды, бар; А( температурный напор, °С.

2.4.9. Теплоотдача при конденсации пара

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. Различают конденсацию в объеме пара или парогазовой смеси и конденсацию на поверхности твердого тела или¹ жидкости, с которыми пар находится в контакте. Чаще на практике встречается поверхностная конденсация - в конденсаторах паровых турбин, в опреснителях при получении питьевой воды из морей и океанов, в теплообменниках холодильных установок и в других устройствах.

Конденсация пара всегда связана с отводом теплоты через поверхности конденсации и с одновременным отводом образующегося вещества - конденсата. Конденсация может происходить только при условии, что температура и давление пара ниже температуры и давления критической точки.

Если насыщенный или перегретый пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения при данном давлении,. то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в виде пленки или капель оседает на поверхности и стекает вниз.

В зависимости от состояния поверхности различают два вида конденсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсатора не смачивается жидкостью (покрыта каким-либо жиром, керосином, нефтяным продуктом и др.) и конденсат осаждается в виде отдельных капелек, то происходит капельная конденсация (рис. 2.38). На полностью смачиваемой поверхности конденсатора конденсирующийся насыщенный пар образует сплошную пленку определенной толщины, поэтому такая конденсация называется пленочной (рис. 2.39).

пар

Рис. 2.38. Капельная конденсация пара на вертикальной поверхности

Рис. 2.39. Изменение коэффициента а по высоте пластины при пленочной конденсации

Для водяного пара капельная конденсация - явление случайное, неустойчивое и кратковременное. Она отличается интенсивным теплообменом, и коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации в 15-20 раз выше, чем при пленочной. Объясняется это явление тем, что конденсирующийся пар находится в непосредственном соприкосновении с холодной поверхностью.

Обычно в теплообменных аппаратах, работающих на чистом водяном паре, наблюдается пленочная конденсация. В верхней части вертикальной стенки или трубы пленка стекает с малыми скоростями и движение пленки ламинарное. По мере стекания конденсата по высоте И количество конденсата увеличивается, соответственно возрастает толщина пленки 3 и средняя по толщине скорость течения конденсата. При значениях числа Ке > 400 ламинарное течение пленки переходит в турбулентное.

При пленочной конденсации теплота пара передается поверхности пленки конденсата, а пленка передает теплоту стенке. Пленка конденсата представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем меньше теплоотдача

Рассмотрим теплоотдачу при пленочной конденсации в случае ламинарного движения пленки конденсата.

В данном процессе перенос теплоты через пленку осуществляется только теплопроводностью. Пусть поверхность пленки конденсата, обращенная к пару, имеет температуру г_н (температуру насыщения), а поверхность пленки конденсата, соприкасающаяся со стенкой, имеет температуру 1_С. Тогда при коэффициенте теплопроводности конденсата Я, Вт/(м-°С), и толщине пленки д, и, поверхностная плотность теплового потока #, Вт/м², равна

д = А({_н-1_с)/д. (2.133)

Кроме того, из закона Ныотона-Рихмана известно, что при коэффициенте теплоотдачи а, Вт/(м²-°С), поверхностная плотность теплового потока д, Вт/м², равна

<7 = «('«Ч)- • _;. "■". (²-¹³⁴)

Из уравнений (2.133) и (2.134) следует, что а = X I 3, т. е. коэффициент теплоотдачи зависит от толщины слоя конденсата, стекающего по стенке вниз, и чем толще слой, тем меньше теплоотдача.

На коэффициент теплоотдачи также оказывает влияние направление движения пара. Движение пара вдоль вертикальной стенки вниз увеличивает скорость течения пленки, уменьшает ее толщину и увеличивает коэффициент теплоотдачи. При противоположном движении пара и пленки наблюдается обратный эффект.

Большое влияние на интенсивность теплоотдачи при конденсации оказывает содержание газов в паре. Скапливаясь у теплоотдающих или тепловосцринимающих поверхностей, газы резко уменьшают коэффициент теплоотдачи (за счет, малого значения их теплопроводности). Так, наличие в паре 2% воздуха уменьшает а примерно в три раза. Поэтому в теплообменниках с двухфазной средой предусматривают отсос газов и продувку застойных зон.

Масса конденсата т, кг/^с-м²), образующаяся на 1 м² поверхности, определяется по формуле

т =

г 5г

(2.135)

где г - удельная теплота парообразования, Дж/кг.

На основании обобщения опытных данных с различными жидкостями и теоретического анализа, проведенного Нуссельтом, получены расчетные формулы.

Среднее значение а, Вт/(м²-°С), для всей высоты стенки А, м, определяют по формуле

а = 0,943-4 ^Гр1^, (2Л36)

где р -плотность жидкости, кг/м³; § - ускорение свободного падения, м/с²; /л - динамический
коэффициент вязкости, Па-с. ' \

Формула (2.136) пригодна не только для плоскости, но и для вертикальных труб и цилиндров.

Для горизонтальных труб диаметром с1, м, рекомендуется следующая формула:

а = 0,728 -4/ ^т*, (2.137)

где V - кинематический коэффициент вязкости, м /с.

В формулах (2.136) и (2.137) физические константы конденсата X, р, ц, V берут при средней температуре /_ср= 0,5(/„ + (_с).

Так как высота трубы всегда больше диаметра, то коэффициент теплоотдачи при горизонтальном расположении трубы выше, чем при вертикальном.

Приведенные формулы (2.136) и (2.137) относятся к ламинарному движению пленки конденсата, когда критерий Ке < 400 (при неподвижном паре). При турбулентном движении пленки коэффициент теплоотдачи становится больше.

2.4.10. Основные термины

■

Определяющая температура, определяющий размер, определяющая скорость.

Коридорный и шахматный пучки труб.

Свободная конвекция. Эквивалентный коэффициент теплопроводности.

Кипение. Центр парообразования.

Пузырьковый и пленочный режимы кипения.

Конденсация. Капельный и пленочный режимы конденсации.

2.5. Лучистый теплообмен

2.5.1. Основные понятия лучистого теплообмена

Лучистый теплообмен или тепловое излучение - это теплообмен обусловленный превращением внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн, и последующим переносом и поглощением этой энергии другими телами.

Из курса физики известно, что все тела при температурах, отличных от абсолютного нуля, излучают и поглощают кванты электромагнитного поля - фотоны, распространяющиеся со скоростью света (с = 3-10⁸ м/с).

При температурах, с которыми обычно имеют дело в технике, основное количество энергии излучается при длине волны X от 0,8 до 400 мкм. Эти лучи принято называть тепловыми (инфракрасными). При лучистом теплообмене нет необходимости ни в контакте между телами, ни в каком-либо теплоносителе, т. к. лучистый теплообмен может происходить и в вакууме.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. тела излучают энергию всех длин волн - от 0 до оо. К твердым телам, имеющим непрерывный спектр излучения, относятся непроводники и полупроводники электричества, металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Металлы с полированной поверхностью, газы и, пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром излучения.

Лучистый теплообмен встречается, например, в топках котлов и при лучистом отоплении помещений.

Природа излучения связана со сложными внутриатомными и внутримолекулярными процессами. Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т. е. электроны и ионы, входящие в состав вещества.

Рассмотрим систему из двух тел А и Б, причем температура тела А больше, чем температура тела Б (рис. 2.40). При лучистом теплообмене между этими телами происходит двойное преобразование энергии.

Во-первых, тепловая энергия тела А преобразуется в энергию электромагнит-ньгх волн (лучистую энергию) и передается телу Б.

Во-вторых,, тело Б преобразует поглощенную лучистую энергию в тепловую и нагревается, кроме того, тело Б также излучает энергию электромагнитных волн.

Когда температуры тел сравняются лучистый теплообмен не прекратится, просто количество передаваемой энергии будет равно количеству поглощаемой. Суммарное количество энергии всех длин волн,

излучаемое с поверхности тела в единицу ь / Т\>Тъ ь

времени называется полным, или /■""" Х, / у ' ^

интегральным лучистым потоком (), Вт. "* " \ \

Тепловой поток, излучаемый на всех Л Г

длинах волн с единицы поверхности тела по) А V. _ _ "/Б

всем направлениям, называется *\ \

поверхностной плотностью потока,\. /_______ ^/

интегрального излучения, или излучательной ^А ^—*ч—/ ~" \

способностью Е, Вт/м². Излучательная * \ * ^л

способность определяется природой данного

тела и его температурой (собственное Рис. 2.40. Лучистый теплообмен между

излучение тела), величина Е, Вт/м², может двумя телами

быть найдена по формуле

я=^=^е=д ^=>е=1&#'> (^2Л38)

где йО, - лучистый поток, испускаемый элементарной площадкой йР.

Каждой длине волны при определенной температуре соответствует определенная интенсивность излучения. Интенсивность излучения /д, Вт/м, представляет собой плотность потока интегрального излучения, отнесенную к рассматриваемому интервалу длин волн,

/, =—. (2.139)

\ ей

■а

Величину 1х, Вт/м, называют еще спектральной плотностью потока интегрального излучения

Поскольку свет и тепловое излучение имеют одинаковую природу, между ними много общего. Часть энергии излучения Е_па^ падающей на тело (рис. 2.41), поглощается (ЕД часть отражается (Е^ и часть проникает сквозь него (2?#). Таким образом, получим

Е_А+Е_к+Е_в=Е_тд. (2.140)

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

А + К + й = 1. (2.141)

Здесь величина А = Ед / Е_тд называется коэффициентом поглощения, К - Ец/ Е_тд -
коэффициентом отражения, Б >. - Ер / Е_тд -
коэффициентом пропускания. р,

Тело, поглощающее все падающее на него * >ч у^та

излучение, называется абсолютно черным. Для этого
тела А = 1. Для абсолютно белого тела К = 1, для Ш/МММа//;
абсолютно прозрачного тела В,.=1, м$Еа4497/

Тела, для которых коэффициенты 0 <А<\,Кф\, гМЩЬ//
В Ф 1 и не зависят от длины волны падающего {Еп

излучения, называются серыми. Абсолютных тел не

существует, в природе все тела серые, тем не менее Рис. 2.41. Распределение энергии понятие об абсолютных телах является очень важным излучения, падающей на тело для сравнения с ними реальных тел.

Если поверхность поглощает тепловые лучи, но не поглощает световые, она не кажется черной. Более того, наше зрение может воспринимать такую поверхность как белую, например снег, для которого А = 0,98. Стекло, прозрачное в видимой части спектра, почти непрозрачно для тепловых лучей (А - 0,94).

Дата добавления: 2014-01-04