Теплообмен при кипении. Расчетные формулы

В настоящее время опубликовано большое количество формул для определения коэффициента теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в условиях естественной конвекции. Большинство опубликованных формул представляют собой эмпирические обобщенные зависимости, построенные на основе теории подобия. К ним относится, например, получившая широкое признание,формула С. С. Кутателадзе.

Nu_исп=7,0*10^-4(Re_*·K_p)^0.7·Pr^0.35 (1.12)

Формула, обобщающая данные, использованные при построении зависимости (1.12), и ряд других данных (в том числе значения α к кипящим фреонам, криогенным жидкостям, высокотемпературным органическим теплоносителям и др;), получена Н. Г. Стюшиным. Эта формула имеет вид

Nu_исп=С(Pe_*·K_t^0.63·K_σ^0.5)ⁿ(1.13)

Сопоставление опытных данных с формулой (1.13) показано на рис. 7.14 и 7.15, из которых видно, что для большинства представленных на этих графиках жидкостей опытные данные значений α отклоняются от расчетной зависимости не более чем на ±20%. Из графиков следует, что при значениях комплекса

N≡Pe_*·K_t^0.63·K_σ^0.5≥10⁷, C=3.2·10^-5, n=0.75

При значении комплекса N=10⁷ для поверхностей теплообмена, не подвергавшихся специальной обработке, наблюдается переход от режимов, в которых еще проявляется конвективный перенос массы и теплоты, к режимам, когда интенсивность теплообмена обусловлена исключительно процессом парообразования. Для более гладких поверхностей переходное значение N несколько выше, а для более шероховатых — ниже. Однако во всех случаях за переходным значением N коэффициент С и показатель степени п имеют приведенные выше значения.

При условии 10⁵<N<10⁷ С=0,101, а n=0,25. Как уже отмечалось при значениях комплекса N<10⁷ на механизм переноса теплоты, обусловленный процессом кипения, накладывается влияние механизма переноса естественной конвекцией в однофазной среде. В этой области наблюдается существенно меньшее влияние давления, а сам процесс отличается меньшей устойчивостью, поэтому здесь наблюдается больший разброс точек опытных данных. Повышенный разброс в этой области можно объяснить и явлением гистерезиса, так как не всегда авторы указывают, в каком направлении проводился эксперимент — в направлении повышения или понижения плотности теплового потока.

Рис. 1.3.1 Сопоставление опытных данных значений α при кипений в большом

объеме с обобщенной зависимостью (1.13).

Формула (1.13) построена на основе зависимости, предложенной А. А. Волошко:

Nu_исп=BPe_*^0.73·K_t^0.5(1.14)

Зависимость (1.14) автор получил теоретическим путем, предположив, что тепловой поток отводится от теплоотдающей поверхности в форме теплоты испарения и в виде избыточной энтальпии перегретой жидкости, увлекаемой паровыми пузырями из пристенной области. При этом были использованы соотношения для расчета внутренних характеристик процесса парообразования.

Коэффициент В в формуле (1.14) автором не был определен. Экспериментальные данные показывают, что его значение не остается постоянным при переходе от одной жидкости (или группы жидкостей) к другой. Удовлетворительное согласование опытных и расчетных значении а для каждой жидкости в отдельности и несоответствие при переходе от одной группы жидкостей к другой свидетельствуют о неполноте исходной модели.

Предполагай, что тепловой поток, подведенный к жидкости» расходуется не только на испарение и перегрев последней, но и на создание поверхности раздела фаз, Н. Г. Стюшин выразил коэффициент В в формуле (1.14) в виде функции от числа К_σ.

Число входящие в формулу (1.13), для каждой жидкости имеет примерно постоянное значение в широком интервале изменения давления. В табл. 1.1 приведены значения числа К_σ· 10^-7 для некоторых жидкостей при различных давлениях.Так как число К_σ для отдельных групп жидкостей является практически постоянной величиной, то при обобщении опытных данных полученных при кипении таких жидкостей, эта переменная выпадает из числа аргументов.

Жидкость			К	• 10-7	Р/Ркр
0,0005	0,001	0,01	0,1	0,25	0,5	0.9
Вода	9,0	9,0	9,3	9,4	9,6	10,2	10,0
Метанол	7,0	7,05	7,15	7,05	6,9	6,9	6,8
Этанол	6,1	6,1	5,77	6,1	6,7	6,9	7,7
Бутанол	4,35	______	3,97	—	-	. —	. —
Метан	2,74	2,74 __	2,76	3,0	3,3	3,6	—
н-пропан	— '	2,6	2,8	2,8	2,9	-
н-гептан	—	2,1	2,1	2,1	2,35	2,5	-
н-пентан	—	-----	2,2	2,2	2,1	2,4	2, 26
Бензол	—	2,5	2,5	2,5	2,6	2,6	-
Азот	' —	-	1,88	2,02	—	' —	-
Четыреххлористый	-	-	1.68	-	-	—	-
углерод		-	6,16	6,44
Аммиак	—	. —	—	—	-
Фреон-12	—	1,37	1,64	1,76	1,89	.—'	-
Фреон-22	—	-	2,06	2,1	2,1	-	-
Фреон-113	1,44	1,4	1,37	_	—	_	-
Фреон-142	— -	---	1,98	2,07	2,1	. -	-

Таблица 1.1

Экспериментальная часть.