Глава IX
ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ
АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
В процессе теплообмена нагреваемые или охлаждаемые материалы часто изменяют агрегатное состояние: испаряются, конденсируются, плавятся или кристаллизуются.
В процессах термической обработки свежесформованных железобетонных изделий происходит конденсация водяного пара на поверхности изделия. При этом, конденсируясь, пар отдает большое количество теплоты, которое идет на прогрев изделия; в свою очередь повышение температуры приводит к ускорению схватывания цемента и сокращению времени твердения.
Пленка пара играет также важную защитную роль: она препятствует удалению из изделия еще не вступившей в реакцию гидратации несвязанной части воды.
Образование новой фазы на поверхности теплообмена усложняет процесс конвективного теплообмена и затрудняет применение аналитических подходов к решению задач теплообмена.
Различают конденсацию на вертикальной поверхности и конденсацию на горизонтальной поверхности. Кроме того, различают конденсацию капельную, когда конденсат осаждается в виде отдельных капель, и пленочную, когда на поверхности образуется сплошная пленка жидкости.
Капельная конденсация возможна лишь в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения. Искусственно капельная конденсация может быть получена путем нанесения на поверхность тонкого слоя масла, керосина или жирных кислот. При капельной конденсации теплоотдача выше, чем при пленочной, характеризующейся большим термическим сопротивлением слоя конденсата. Однако именно пленочная конденсация представляет наибольший практический интерес.
1. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ
tст
х |
0 у
δ
tн
Рассмотрим пленочную конденсацию на вертикальной поверхности (рис. 9.1). Ось ох расположена в плоскости стенки и направлена вниз, ось оу –- направлена перпендикулярно стенке. Температура стенки считается постоянной по высоте.
|
Обобщенное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи от конденсирующих паров имеет вид
, (9.1)
где 
–- критерий, характеризующий изменение агрегатного состояния (критерий фазового превращения).
, (9.2)
здесь r — теплота конденсации;
— теплоемкость конденсата (пленки жидкости);
.
Все физические параметры в этой формуле берутся при температуре пленки, которая рассчитывается по формуле
.
Критерий фазового превращения по своему физическому смыслу показывает долю количества теплоты, выделившейся при конденсации пара (r) к общему количеству подведенной с паром теплоты.
Определяющим размером в данных расчетах является h - высота поверхности, на которой происходит конденсация пара.
|
; (9.3)
. (9.4)
При конденсации пара на горизонтальной поверхности (наружной поверхности горизонтальной трубы) коэффициент α находится по уравнению
, (9.5)
в котором 
— наружный диаметр трубы.
В случае конденсации пара на наружной поверхности пучка труб коэффициент теплоотдачи α может быть рассчитан по уравнению (9.5) только для труб верхнего ряда. При стекании конденсата его слой на трубах нижерасположенных рядов утолщается, поэтому величина α для нижних рядов труб меньше, чем для верхних.
В этом случае коэффициент теплоотдачи для пучка труб 
определяют умножением значения α на поправочный коэффициент 
, зависящий от числа труб в каждом вертикальном ряду, а также от схемы расположения труб в пучке (шахматное или коридорное).
2. Конденсация парогазовых смесей
Максимальное значение коэффициента теплоотдачи при конденсации возможно только из насыщенного пара. Даже малейшее содержание примесей конденсирующих газов приводит к падению значения коэффициента теплоотдачи.
На графике (рис. 9.3) показано влияние примеси воздуха на коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе.
 |
|
–-
|
|
|
–-
|
|
–-
|
0 Сг
|
Как видно, наличие примеси воздуха в паре резко ухудшает теплоотдачу. Такое резкое уменьшение коэффициента теплоотдачи объясняется термическим и диффузионным сопротивлением пограничного слоя на поверхности пленки. Конденсирующийся пар должен продиффундировать к поверхности пленки через пограничный слой с неконденсирующимся газом, который и создает дополнительное термическое сопротивление.
С подобными условиями приходится иметь дело при проектировании конденсаторов паровых турбин, холодильных установок, теплопередающих устройств и т. п.
3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ
Теплоотдача при кипении жидкости относится к числу особенно сложных процессов, поэтому до последнего времени никому из исследователей не удалось сделать теоретических обобщений, позволяющих вычислять коэффициенты теплоотдачи.
Кипением называют процесс образования пара внутри объема жидкости. Для возникновения процесса кипения необходимы, по крайней мере, два условия: температура жидкости должна превышать температуру насыщения и должны быть в наличии центры парообразования. Различают пузырьковое и пленочное кипение.
Схематически процесс кипения выглядит следующим образом (рис. 9.4).
 |  |  |
|
|
|
пар
|
При нагреве до температуры кипения слой жидкости у стенки нарушается: на мельчайших неровностях стенки образуются пузырьки пара. Достигнув определенной величины, пузырьки поднимаются к поверхности кипящей жидкости. При повышении температурного напора 
, где 
— температура поверхности нагрева; 
— температура насыщения, возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости.
Вся эта теплота, в конечном счете, расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид
, (9.6)
где Q — тепловой поток, Дж/с;
r — теплота фазового перехода, Дж/кг;
G — количество пара, образующегося в единицу времени, кг/с.
Тепловой поток растет не беспредельно (рис. 9.5). При некотором значении 
он достигает максимума, а при дальнейшем повышении температурного напора начинает уменьшаться. До момента достижения максимального значения теплового потока режим кипения называется пузырьковым (рис. 9.4, 9.5, а). Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока 
. Для воды при атмосферном давлении 
; 
.
|
наступает второй, переходный режим кипения (рис. 9.4, 9.5, б). Он характеризуется тем, что пузырьки непрерывно сливаются друг с другом, образуя большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно затрудняется.
В отдельных местах поверхности возникают «сухие пятна». Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения. Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. Наступает пленочный режим кипения (рис. 9.4, 9.5, в).
Перенос теплоты в режиме пленочного кипения от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Минимальное значение тепловой нагрузки при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока qкр2.
Для воды при атмосферном давлении qкр2 »104.
Разность температур, соответствующая максимальному значению коэффициента теплоотдачи, называется критической разностью температур, которая зависит от природы кипящей жидкости, температуры, давления и характера поверхности нагрева.
Все три режима можно наблюдать в обратном порядке. Например, если раскаленное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение).
Ввиду сложного характера теплообмена при кипении в настоящее время не существует его строгой количественной теории.
