Тогда локальный коэффициент теплопередачи

(9)

Средний по высоте H коэффициент теплоотдачи α получим из уравнения (9):

(формула Нуссельта) (10)

Согласно экспериментальным результатам, значение численного множителя в уравнении (10) несколько выше и равно 1,13. Увеличение коэффициента теплоотдачи может быть объяснено действием поверхностного натяжения жидкой фазы, которое совместно с силами инерции приводит к появлению на наружной поверхности плёнки волнообразного течения.

При конденсации паров на поверхности горизонтальной трубы значение числового коэффициента в уравнении (10) равно 0,726.

Зависимость (10)можно получить также обработкой экспериментальных данных с использованием методов теории подобия на основе критериального уравнения ( критерий Нуссельта):

Nu = f (Ga, Pr, K)

где К = r/(c∆t) – критерий конденсации; r – теплота парообразования.

Критерий конденсации (или фазового превращения) представляет собой отношение теплоты фазового перехода r к теплоте охлаждения конденсата от температуры насыщения до температуры поверхности.

Ga – критерий Галилея, Ga= gl³ρ²/μ², где l- определяющий линейный размер.

Pr – критерий Прандтля, Nu = α l/λ.

Все физические константы в уравнении (10) относятся к конденсату при его средней температуре. Величиной ∆t = t_п – t_ст в уравнении (10) задаются (обычно 3 – 8 K), а затем, после определения α, проверяют её методом последовательных приближений.

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТЕЙ

Кипение – это процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, когда жидкость находится при температуре кипения. Процесс кипения связан с подводом тепла к кипящей жидкости, причем в процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования.

Этот вид теплоотдачи отличается высокой интенсивностью и встречается в химической технологии, например, при проведении таких процессов как выпаривание, перегонка жидкостей, в испарителях холодильных установок и др. Процесс теплоотдачи при кипении очень сложен и ещё недостаточно изучен, несмотря на огромное количество проведенных исследований.

Для возникновения кипения необходимо, прежде всего, чтобы температура жидкости была выше температуры насыщения пара, а также необходимо наличие центров парообразования. Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Кипение на твердой поверхности идет с образованием паровой фазы в отдельных местах поверхности обогрева и обусловлено подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью.

Объёмное кипение возникает при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения. Пример- наличие внутренних источников тепла или значительный перегрев жидкости при внезапном снижении давления ( ниже равновесного).

Наиболее важным в химической технологии видом кипения является кипение на поверхности.

Механизм кипения на поверхности сложнее, чем при обычной конвекции. Перенос тепла и массы осуществляется пузырьками пара из пограничного слоя в объём жидкости. Интенсивность теплоотдачи очень велика.

Чтобы жидкость закипела, необходим небольшой ее перегрев относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования (неровности стенки, пылинки).

Различают два режима кипения: пузырьковый и пленочный.

На рис. 2 показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки от температурного напора при кипении жидкости ∆t = t_ст- t_кип ( t_ст и t_кип соответственно температура стенки со стороны кипящей жидкости и температура кипения).

В области АВ перегрев жидкости мал (∆t≥ 5 К), мало также число активных центров парообразования, интенсивность теплообмена определяется в основном закономерностями теплоотдачи свободной конвекции около нагретой стенки. При дальнейшем повышении ∆t увеличивается число активных центров парообразования, и коэффициент

Кривая кипения. Рис.2

теплоотдачи резко возрастает (отрезок ВС). Эту область называют пузырчатым или ядерным кипением.

При дальнейшем увеличении ∆t происходит слияние пузырьков пара на поверхности нагрева. Поверхность как бы покрывается пленкой пара, плохо проводящей тепло. Это область пленочного кипения. Коэффициент теплоотдачи резко снижается ( в десятки раз). Совершенно очевидно, что пленочный режим кипения крайне нежелателен.

Значения ∆t, коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки, соответствующие переходу от пузырькового режима к пленочному, называют критическими. В специальной литературе приводятся эмпирические зависимости, а также опытные данные, позволяющие определить эти критические значения.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от многих разнообразных факторов (физических свойств жидкости, давления, температурного напора, свойств материала поверхности нагрева и многих других), учесть влияние которых на процесс и свести их в единую зависимость крайне сложно. Поэтому в литературе приводятся рекомендации многих авторов, которые на основе различных физических моделей получили расчетные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи при кипении.

Часто эти зависимости имеют следующий вид:

α = Аqⁿ ,

где n = 0,6 -0,7; коэффициент А - сложный комплекс многих величин, влияющих на интенсивность переноса теплоты при кипении.

Поскольку в настоящее время нет достаточно надежных обобщенных уравнений для расчета α при кипении, решая конкретную задачу определения коэффициента теплоотдачи при кипении, следует обращаться к специальной литературе.