Расчётные формулы теплоотдачи различных тел в неограниченном пространстве

Известен ряд зависимостей для коэффициента теплоотдачи тел с одним определяющим размером (вертикальные плиты, бесконечно длинные проволоки, трубы и шары).

Постоянные c и n зависят только от режима движения (аргумента (Gr*Pr))

Если определяющий размер L и разность температур удовлетворяют неравенству

то расчёт конвективного коэффициента теплоотдачи следует проводит по формуле:

Естественная конвекция в ограниченном пространстве

Описание процесса теплообмена в ограниченном замкнутом пространстве проводят с помощью критериального уравнения

Тепловой поток для прослоек различной формы заполненных твёрдым материалом, рассчитывается как:

Если ширина канала h существенно меньше длины участка D, то такой участок можно представить как плоский канал с гладкими стенками. На участке В движение становится более сложным и можно выделить 3 зоны:

зону 1 циркуляционного движения во впадине, зону 3 случайного движения, промежуточную зону 2 между ними.

Из рисунка видно, что для глубоких или широких впадин характерно образование вторичных циркуляционных токов.

Теплообмен при кипении жидкостей на поверхностях нагрева твёрдых тел часто встречается в электронной технике.

Кипение – процесс образования пара при нагревании жидкости, при этом возникают новые свободные поверхности раздела жидкой и паровой фаз внутри жидкости.

Температура образующего газа – температура насыщения, определяется давлением, при котором находится кипящая жидкость.

На участке, неопределённо примыкающем к поверхности нагрева, температура жидкости может на расстоянии нескольких миллиметров измениться на десятки градусов.

Обычно температуру жидкости у стен принимают равной температуре стенки, а в удалённых от стенки областях – температура насыщения.

Перегрев жидкости вблизи стенки оказывается возможным из-за отсутствия постоянной поверхности раздела жидкости и пара.

На поверхности или вблизи неё возникают пузырьки. При этом центром парообразования могут служить шероховатости поверхности нагрева, пузырьки воздуха или газа, выделяющегося из жидкости, стенки, места случайного скопления молекул загрязнения и т.д.

Размеры пузырька быстро растут, и под влиянием подъёмной силы и конвективных токов он поднимается к свободной поверхности жидкости.

Температурный напор определяет механизм парообразования и интенсивность теплообмена.

Рассмотрим процесс кипения на примере опыта. Погруженная в воду при 100°С платиновая проволока нагревается проходящим через неё электрическим током.

Обоасть А – отсутствие парообразования или слабое образование пузырей. Здесь справедливы законы свободной конвекции некипящих жидкостей;

Б – пузырьковое кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, при этом интенсивно отводится теплота от поверхности кипения (рис. а);

В – нестабильное плёночное кипение. Как на поверхности нагрева, так и вблизи неё пузырьки сливаются между собой, образуя большие паровые полости, в отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна, и эти участки выключаются из теплообмена. Происходит резкое снижение теплового потока, температура проволоки повышается. Область В весьма неустойчива и не представляет большого интереса для технических приложений.

Г – стабильное плёночное кипение, вся поверхность нагрева покрывается сплошной плёнкой нара, испарение жидкости происходит на границе жидкость-пар, вызывая увеличение толщины паровой плёнки до тех пор, пока пар не отрывается от неё в виде беспорядочной массы пузырьков неправильной формы.

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока и обозначают q_кр1, а соответствующий температурный напор – критическим температурным напором. Для воды в точке а<q_кр1 =900 кВт/м², температурный напор равен 30 кВт/(м²К).

При обратном снижении q коэффициент теплоотдачи α по-прежнему сохраняется небольшим при значительно меньшей тепловой нагрузке.

Это указывает на значительную устойчивость плёночного режима кипения жидкости при снижении тепловой нагрузки.

Можно говорить о двух критических плотностях теплового потока q_кр1 – переход от пузырьков к плёнке (а) и q_кр2 – разрушение сплошного парового слоя и восстановление пузырькового режима кипения (в).

В областях между критическими точками возможно существование обоих процессов кипения на разных частях одной и той же поверхности нагрева.

Минимальную тепловую нагрузку при плёночном режиме кипения называют второй критической плотностью теплового потока и обозначают q_кр2.

Критическая тепловая нагрузка определяется свойствами жидкости, скоростью потока, давлением, состоянием поверхности, условиями её смачиваемости и т.д.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов.

В этих случаях описанные выше процессы остаются в силе, но появляется ряд новых особенностей.

Важное значение приобретает характер распределения паровой и жидкой фаз внутри внутри трубы в виде однородной эмульсии (рис. а) и в виде двух самостоятельных потоков воды и пара (рис. б).

Из-за сложного взаимного влияния характера смеси, скорости движения, диаметра трубы и её ориентации, состояния поверхности тела простых и универсальных зависимостей получить не удалось.

При проектировании ракетно-космических систем, где происходят фазовые превращения жидкости, необходимо учитывать особенности теплообмена в условиях переменной гравитации.

Основным элементом замкнутых испарительных систем охлаждения РЭА являются теплообменные устройства. В испарительной системе промежуточный теплоноситель (жидкий диэлектрик) превращается в пар, отбирая при этом теплоту от нагретой детали аппаратуры. Затем этот пар переносится к теплообменнику и далее в теплообменнике отдаёт теплоту при конденсации. Образовавшийся конденсат под действием силы тяжести возвращается назад в блок.

Характер конденсации пара на твёрдых поверхностях

При соприкосновении пара с твёрдой поверхностью, температура которой t_w<t_н, происходит конденсация пара на стенках.

Выделяют капельную и плёночную конденсацию. В первом случае конденсат осаждается в виде отдельных капель, а во втором случае в виде сплошной плёнки. Характер конденсации зависит от угла смачивания (краевого угла). При θ->0 происходит полное смачивание. Если θ≤90°, происходит неполное смачивание. Если θ→180°, то происходит полное несмачивание.

Совершенно чистые поверхности металлов хорошо смачиваются водой. Загрязнённые смачиваются не полностью или вообще не смачиваются. В случае выпадения на чистую металлическую поверхность, капли воды растекаются по поверхности, и, сливаясь вместе, образуют плёнку. В стационарном режиме, фиксированном в месте поверхности, толщина плёнки постоянна. Связано это с тем, что количество стекающей жидкости равно количеству образующегося конденсата (термодинамическое равновесие), а пар при этом отделён от металлической поверхности сплошной плёнкой.

При углах θ>90°, мельчайшие капли, покрывающие поверхность, локализованы. При дальнейшей конденсации происходит образование новых капель и рост старых капель. В дальнейшем, отдельные капли сливаются, образуют ручейки, двигаются в место с наименьшей потенциальной энергией, но часть твёрдой поверхности при этом продолжает непосредственно омываться паром.

Чистая, но плохо смачиваемая металлическая поверхность, со временем покрывается оксидной плёнкой, а это в свою очередь приводит к тому, что поверхность становится смачиваемой, что приводит к плёночной конденсации.

Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации в 5..10 раз выше, чем при плёночной. Однако выгода капельной конденсации водяного пара реализуется на практике в редких случаях. Т.к. для водяного пара трудно предсказать, когда будет проходить капельная конденсация, то рекомендуется все расчёты производить по выражениям, полученным для плёночной конденсации. В конденсаторах (местах, куда поднимается пар) происходит плёночная конденсация паров. Исключением являются конденсаторы ртутного пара, в которых обычно имеет место капельная конденсация. У паров металлов различия в интенсивности теплообмена при плёночном и капельном типах конденсации стираются, т.к. термическое сопротивление жидкой металлической плёнки весьма мало.

Плёночная конденсация на вертикальной стенке

В верхней части плёнки наблюдается ламинарное движение, в нижней может возникнуть турбулентное. Переход от ламинарного движения плёнки к турбулентному возникает тогда, когда число Рейнольдса превышает критическое значение.

Для ламинарного движения жидкости было получено аналитическое выражение для коэффициента теплоотдачи при плёночной конденсации.

λ – коэффициент теплопроводности жидкости [Вт/м*К]

При наклоне стенки следует брать вертикальную составляющую силы тяжести и формулу теплоотдачи стенки, наклонённой к горизонту.

Для горизонтальной трубы диаметром d, коэффициент теплоотдачи будет определяться выражением

,более точное выраж получ при обобщении опытных данных на основе теории подобии.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: