Теплотехника. Подобие процессов конвективного теплообмена. (Лекция 13)

Август 1, 2022

Главная
Физика
Теплотехника. Подобие процессов конвективного теплообмена. (Лекция 13)

Содержание

2. Число Re определяет гидромеханическое подобие течений теплоносителей: где w0 – обычно средняя скорость жидкости (газа) в
3. Число Pr – теплофизическая характеристика теплоносителя, составленная лишь из физических параметров: или При равенстве чисел Re
4. В процессах конвективного теплообмена в качестве определяемого числа выступает число Nu, характеризующее интенсивность процесса конвективного теплообмена:
5. Уравнение подобия (или критериальное уравнение) для процессов конвективного теплообмена при вынужденном движении теплоносителя имеет вид: Nu
6. Естественная конвекция Процесс естественной (свободной) конвекцией возникает из-за различия плотностей нагретых и холодных частиц теплоносителя. Расширение
7. Т.к. ρ Эта сила вызывает конвективное движение среды. Необходимой предпосылкой подобия процессов теплообмена при естественной конвекции
8. Стационарные процессы свободной конвекции будут подобны, если два определяющих числа Gr и Pr будут одинаковыми: Число
9. Число Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя: Это условие обеспечивает подобие процессов свободной конвекции (подобие температурных напоров,
10. Уравнение подобия (критериальное уравнение) для процессов теплообмена при свободной конвекции имеет вид: Nu = f (Gr,
11. Можно не решая уравнений, объединить физические величины в безразмерные комплексы (числа подобия) и получить вид безразмерных
12. Уравнения конвективного теплообмена Система дифференциальных уравнений для процессов свободной конвекции имеет вид:
13. Критериальные уравнения конвективного теплообмена Согласно общему определению подобия для двух подобных процессов постоянные подобия равны :
14. Критериальные уравнения конвективного теплообмена Записываем систему диф.уравнений для процесса (′). Выражаем из уравнения (*) процесс (″)
15. Теплообмен при кипении Температуру, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или наоборот, называют
16. Теплообмен при кипении 1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной пар; 3 – поверхность
17. Теплообмен при кипении Перегрев при кипении зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также
18. Пузырьковый режим кипения По мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно температурного напора Δt=tc-tн число
19. Теплообмен при кипении При увеличении температурного напора Δt тепловой поток достигает максимума и далее начинает уменьшаться.
20. Теплообмен при кипении Теплоотдачу при пузырьковом кипении можно описать системой уравнений, состоящей из дифференциальных уравнений энергии,
21. Теплообмен при кипении При больших значениях Δt наступает второй, переходной режим кипения, характеризующийся непрерывным слиянием пузырьков
22. Пленочное кипение При температурном напоре Δt~1500C вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от
23. Пленочное кипение Считают, что скорости и температуры в пограничном слое при пленочном кипении распределены сходно со
24. Теплообмен при кипении
25. Теплообмен при кипении
26. Теплообмен при кипении
27. Структура потока при кипении жидкости в вертикальной трубе Области: I - подогр. II - испар. III
28. Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе Расслоенный режим Стержневой режим
29. Кипение жидкости в горизонтальной трубе При движении кипящей жидкости в горизонтальных трубах имеет место расслоение потока
30. Теплообмен при конденсации пара При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, пар конденсируется
31. Теплообмен при конденсации Для организации стационарного процесса конденсации пара теплоту необходимо непрерывно отводить от поверхности охлаждения.
32. В процессе пленочной конденсации вся теплота, выделяющаяся на внешней границе пленки отводится к поверхности охлаждения. При
33. С другой стороны по закону Ньютона-Рихмана: или Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к определению толщины пленки
35. Скачать презентацию

Слайд 2

Число Re определяет гидромеханическое подобие течений теплоносителей:
где w0 – обычно средняя

скорость жидкости (газа) в начальном сечении системы; l – характерный геометрический размер системы (диаметр канала, длина пластины и т.д.); ν – коэффициент кинематической вязкости теплоносителя.

Вынужденная конвекция

Слайд 3

Число Pr – теплофизическая характеристика теплоносителя, составленная лишь из физических параметров:

или

При равенстве чисел Re условие одинаковости чисел Pr обеспечивает тепловое подобие (подобие полей температурных напоров и тепловых потоков во всем объеме рассматриваемых систем).

Вынужденная конвекция

Слайд 4

В процессах конвективного теплообмена в качестве определяемого числа выступает число Nu,

характеризующее интенсивность процесса конвективного теплообмена:

где α - коэффициент конвективной теплоотдачи; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя; l – характерный геометрический размер.

Подобие процессов
конвективного теплообмена

Слайд 5

Уравнение подобия (или критериальное уравнение) для процессов конвективного теплообмена при вынужденном

движении теплоносителя имеет вид:

Nu = f (Re, Pr).

Вынужденная конвекция

Слайд 6

Естественная конвекция
Процесс естественной (свободной) конвекцией возникает из-за различия плотностей нагретых и

холодных частиц теплоносителя. Расширение теплоносителя при нагревании описывается температурным коэффициентом объемного расширения среды β :

tж - температура холодного теплоносителя; t - температура прогретого теплоносителя;

Слайд 7

Т.к. ρ<ρж, то на частицы нагретой жидкости , действует подъемная сила,

равная:

Эта сила вызывает конвективное движение среды.

Необходимой предпосылкой подобия процессов теплообмена при естественной конвекции должны быть подобие температурных полей на поверхности нагрева или охлаждения.

Естественная конвекция

Слайд 8

Стационарные процессы свободной конвекции будут подобны, если два определяющих числа Gr

и Pr будут одинаковыми:

Число Gr характеризует относительную эффективность подъемной силы, вызывающей свободно-конвективное движение среды:

Естественная конвекция

Слайд 9

Число Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя:
Это условие обеспечивает подобие процессов

свободной конвекции (подобие температурных напоров, тепловых потоков и скоростей в геометрически подобных системах).

Естественная конвекция

динамическая вязкость,
- кинематическая вязкость.

Слайд 10

Уравнение подобия (критериальное уравнение) для процессов теплообмена при свободной конвекции имеет

вид:

Nu = f (Gr, Pr).

Число Nu, характеризующее отношение между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном слое потока, одинаково для подобных систем.

Естественная конвекция

Слайд 11

Можно не решая уравнений, объединить физические величины в безразмерные комплексы (числа

подобия) и получить вид безразмерных уравнений с меньшим числом переменных, их решение позволяет находить искомые величины.

Критериальные уравнения
конвективного теплообмена

Точные критериальные уравнения отыскиваются путем проведения соответствующих экспериментов. Например, в формуле Михеева

коэффициенты С и n определяются экспериментально.

Слайд 12

Уравнения
конвективного теплообмена
Система дифференциальных уравнений для процессов свободной конвекции имеет вид:

Слайд 13

Критериальные уравнения
конвективного теплообмена
Согласно общему определению подобия для двух подобных процессов

постоянные подобия равны :

во всех сходственных точках систем, определяемых условием:

Слайд 14

Критериальные уравнения
конвективного теплообмена
Записываем систему диф.уравнений для процесса (′). Выражаем из

уравнения (*) процесс (″) через процесс (′) и подставляем в систему диф.уравнений. В результате получим соотношения между постоянными подобия:

Слайд 15

Теплообмен при кипении
Температуру, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или

наоборот, называют температурой насыщения.

Кипение – процесс образования пара внутри объема жидкости. Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т.е. превышение температуры жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении p: tж > tн.

Слайд 16

Теплообмен при кипении
1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной

пар; 3 – поверхность воды; 4 – всплывающие паровые пузыри; 5 – внешняя граница пограничного слоя; δпс – толщина пограничного слоя; Q – тепловой поток от стенки к воде; Gп – массовый расход пара

Слайд 17

Теплообмен при кипении
Перегрев при кипении зависит от физических свойств жидкости, ее

чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения.

Паровые пузырьки зарождаются не в любой точке поверхности теплообмена, а только в центрах парообразования –микровпадинах на поверхности сосуда с кипящей жидкостью (трещинах, кавернах и т.п.), в которых сила поверхностного натяжения жидкости минимальна или в зародышах - пузырьках растворенного газа, взвешенных микрочастицах в жидкости.

Слайд 18

Пузырьковый режим кипения
По мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно

температурного напора Δt=tc-tн число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости значительно возрастает. Вся теплота идет на парообразование. Уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

где Q – тепловой поток, Вт,
r – теплота фазового перехода жидкости,
G″ - количество пара, образующегося в единицу времени и отводимого от ее свободной поверхности, кг/c.

Слайд 19

Теплообмен при кипении
При увеличении температурного напора Δt тепловой поток достигает максимума

и далее начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим кипения называют пузырьковым. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении воды в большом объеме называют первой критической плотностью теплового потока

Слайд 20

Теплообмен при кипении
Теплоотдачу при пузырьковом кипении можно описать системой уравнений, состоящей

из дифференциальных уравнений энергии, движения, непрерывности; уравнений движения парового пузыря и теплообмена на поверхности пузыря.
Условия однозначности: tc =tн. tc – температура жидкости на свободной поверхности.
Из системы уравнений и условий однозначности
Лабунцовым получено уравнение подобия для теплоотдачи
при пузырьковом кипении жидкости:

при: Re<0,01 c=0,0625, n=0,5;
Re >0,01 c=0,125, n=0,65.

Слайд 21

Теплообмен при кипении
При больших значениях Δt наступает второй, переходной режим кипения,

характеризующийся непрерывным слиянием пузырьков между собой с образованием больших паровых полостей. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна, такие участки как бы выключаются из теплообмена. Как следствие происходит резкое снижение теплового потока и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Слайд 22

Пленочное кипение
При температурном напоре Δt~1500C вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой

пара, оттесняющей жидкость от поверхности. Так наступает третий, пленочный режим кипения. В этом режиме перенос тепла от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая. Паровая пленка испытывает пульсации, пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. Минимальное значение тепловой нагрузки при пленочном кипении называется второй критической плотностью теплового потока

Слайд 23

Пленочное кипение
Считают, что скорости и температуры в пограничном
слое при пленочном

кипении распределены сходно со свободной
конвекцией. Поэтому записывают по аналогии уравнение подобия теплоотдачи при пленочном кипении:

Слайд 24

Теплообмен при кипении

Слайд 25

Теплообмен при кипении

Слайд 26

Теплообмен при кипении

Слайд 27

Структура потока при кипении
жидкости в вертикальной трубе
Области:
I -

подогр.
II - испар.
III – подсых.
пара

Влажный пар
Стержневой
режим
Пробковый
режим
Эмульсион.
режим
Поверхн.
кипение
1-фаз.жидк.

Слайд 28

Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе
Расслоенный режим
Стержневой режим

Слайд 29

Кипение жидкости в горизонтальной трубе
При движении кипящей жидкости в горизонтальных

трубах
имеет место расслоение потока по периметру трубы.
Если скорость циркуляции и содержание пара в потоке
невелики, двухфазный поток расслаивается на паровую
фазу в верхней части трубы и жидкую – в нижней.
При увеличении скорости циркуляции и паросодержания
гребни волн жидкости начинают задевать верхнюю часть
трубы, затем течение переходит в подобие пробкового и
наконец – стержневого режима с несимметричным
распределением жидкой и паровой фаз.

Слайд 30

Теплообмен при конденсации пара
При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже

температуры насыщения, пар конденсируется и конденсат оседает на стенке. При этом различают два вида конденсации: капельную и пленочную.
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 конденсации чистого пара смачивающей жидкости на чистой поверхности всегда получается сплошная пленка.

Слайд 31

Теплообмен при конденсации
Для организации стационарного процесса конденсации пара теплоту необходимо непрерывно

отводить от поверхности охлаждения. В целом интенсивность теплоотдачи при конденсации пара оказывается достаточно высокой. Однако, если в паре содержится примесь газа (например, воздуха), то скорость конденсации заметно снижается. Газ постепенно накапливается около поверхности, и это затрудняет доступ новых порций пара к поверхности.

Слайд 32

В процессе пленочной конденсации вся теплота, выделяющаяся на внешней границе пленки

отводится к поверхности охлаждения. При ламинарном движении жидкостной пленки перенос теплоты через нее осуществляется лишь путем теплопроводности. Если принять, что температура частиц конденсата, соприкасающихся с паром, равна температуре насыщения, то плотность теплового потока согласно закону Фурье определяется выражением:

где δ – толщина пленки, λ – коэффициент теплопроводности конденсата, tc – температура поверхности.

Теплообмен при конденсации

Слайд 33

С другой стороны по закону Ньютона-Рихмана:
или
Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к

определению толщины пленки конденсата δ, которая может быть получена из анализа условий его течения.

Теплообмен при конденсации

Теплотехника. Подобие процессов конвективного теплообмена. (Лекция 13)

Содержание

Число Re определяет гидромеханическое подобие течений теплоносителей:где w0 – обычно средняя

Число Pr – теплофизическая характеристика теплоносителя, составленная лишь из физических параметров:

В процессах конвективного теплообмена в качестве определяемого числа выступает число Nu,

Уравнение подобия (или критериальное уравнение) для процессов конвективного теплообмена при вынужденном

Естественная конвекцияПроцесс естественной (свободной) конвекцией возникает из-за различия плотностей нагретых и

Т.к. ρ<ρж, то на частицы нагретой жидкости , действует подъемная сила,

Стационарные процессы свободной конвекции будут подобны, если два определяющих числа Gr

Число Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя: Это условие обеспечивает подобие процессов

Уравнение подобия (критериальное уравнение) для процессов теплообмена при свободной конвекции имеет

Можно не решая уравнений, объединить физические величины в безразмерные комплексы (числа

Уравнения конвективного теплообменаСистема дифференциальных уравнений для процессов свободной конвекции имеет вид:

Критериальные уравнения конвективного теплообменаСогласно общему определению подобия для двух подобных процессов

Критериальные уравнения конвективного теплообменаЗаписываем систему диф.уравнений для процесса (′). Выражаем из

Теплообмен при кипенииТемпературу, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или

Теплообмен при кипении1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной

Теплообмен при кипенииПерегрев при кипении зависит от физических свойств жидкости, ее

Пузырьковый режим кипенияПо мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно

Теплообмен при кипенииПри увеличении температурного напора Δt тепловой поток достигает максимума

Теплообмен при кипенииТеплоотдачу при пузырьковом кипении можно описать системой уравнений, состоящей

Теплообмен при кипенииПри больших значениях Δt наступает второй, переходной режим кипения,

Пленочное кипениеПри температурном напоре Δt~1500C вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой

Пленочное кипениеСчитают, что скорости и температуры в пограничном слое при пленочном

Теплообмен при кипении

Теплообмен при кипении

Теплообмен при кипении

Структура потока при кипении жидкости в вертикальной трубе Области: I -

Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе Расслоенный режимСтержневой режим

Кипение жидкости в горизонтальной трубе При движении кипящей жидкости в горизонтальных

Теплообмен при конденсации параПри соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже

Теплообмен при конденсацииДля организации стационарного процесса конденсации пара теплоту необходимо непрерывно

В процессе пленочной конденсации вся теплота, выделяющаяся на внешней границе пленки

С другой стороны по закону Ньютона-Рихмана:илиСледовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к

Похожие презентации

Число Re определяет гидромеханическое подобие течений теплоносителей:
где w0 – обычно средняя

Естественная конвекция
Процесс естественной (свободной) конвекцией возникает из-за различия плотностей нагретых и

Число Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя:
Это условие обеспечивает подобие процессов

Уравнения
конвективного теплообмена
Система дифференциальных уравнений для процессов свободной конвекции имеет вид:

Критериальные уравнения
конвективного теплообмена
Согласно общему определению подобия для двух подобных процессов

Критериальные уравнения
конвективного теплообмена
Записываем систему диф.уравнений для процесса (′). Выражаем из

Теплообмен при кипении
Температуру, при которой жидкость переходит из жидкой фазы в газообразную или

Теплообмен при кипении
1 – поверхность теплообмена (стенка); 2 – насыщенный водяной

Теплообмен при кипении
Перегрев при кипении зависит от физических свойств жидкости, ее

Пузырьковый режим кипения
По мере увеличения температуры поверхности нагрева tc и соответственно

Теплообмен при кипении
При увеличении температурного напора Δt тепловой поток достигает максимума

Теплообмен при кипении
Теплоотдачу при пузырьковом кипении можно описать системой уравнений, состоящей

Теплообмен при кипении
При больших значениях Δt наступает второй, переходной режим кипения,

Пленочное кипение
При температурном напоре Δt~1500C вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой

Пленочное кипение
Считают, что скорости и температуры в пограничном
слое при пленочном

Структура потока при кипении
жидкости в вертикальной трубе
Области:
I -

Структура потока при кипении жидкости в горизонтальной трубе
Расслоенный режим
Стержневой режим

Кипение жидкости в горизонтальной трубе
При движении кипящей жидкости в горизонтальных

Теплообмен при конденсации пара
При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже

Теплообмен при конденсации
Для организации стационарного процесса конденсации пара теплоту необходимо непрерывно

С другой стороны по закону Ньютона-Рихмана:
или
Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к