Поверхностное натяжение
Коэффициент теплопроводности
1. Определим давление насыщенного пара бутана при температуре , если при давлении 1 атм , а теплота испарения .
Из уравнения Клазиуса-Клапейрона:
2. Коэффициент теплоотдачи при конвективном обтекании горячих газов:
;
lк – размер взаимодействия газов факела с поверхностью, S=4 м2.
Турбулентный режим
Коэффициент теплопроводности взят при температуре .
3. В начальный момент теплообмен внутри резервуара будет осуществляться за счет естественной конвекции, которая развивается вследствие нагрева стенки
В данном случае перепад температур между стенкой и жидким бутаном не определен. Задача состоит в том, чтобы определить этот перепад для момента окончания режима свободной конвекции и перехода его в режим пузырькового кипения. Для этого приравниванием тепловой поток от стенки в режиме конвекции и пузырькового кипения
При условии турбулентной конвекции это равенство сводится к
где
При подстановке значений указанных величин получится , то есть при температуре стены начинается пузырьковое кипение. В этот момент тепловой поток от стенки в бутан равен:
4. Дальнейший анализ величины тепловых потоков проводится по следующей схеме.
Определяем критический тепловой поток при пузырьковом кипении
Из (61) и (64) определяем
5. Тепловой баланс для стенки резервуара
вт/м2
При
6. Из сравнения можно сделать вывод, что величиной можно пренебречь и в рассматриваемом случае стенка резервуара нагреется до уровня, когда .
7. Температура до которой нагреется стенка определяется из условия:
8. Коэффициент теплоотдачи в точке
Максимальное значение
Таким образом, ориентировочное значение максимальной температуры стенки резервуара достигает значение .
Примечание: температура стенки будет быстро расти в случае, если падающий тепловой поток преодолеет значение q1 кр.
Пример: Рассмотреть предыдущий случай, если падающий тепловой поток превышает . Определить конечную равновесную температуру стенки, если . Такой высокий тепловой потом может быть в случае, если источник излучения имеет температуру и горячий излучающий газ обтекает резервуар с высокой скоростью, так что .
1. Так как падающий тепловой поток превышает , то из-за кризиса кипения теплоотвод резко уменьшится, и новое равновесие установится при более высокой температуре во время пленочного кипения.
Тепловой баланс для стенки
Потеря в газ и в жидкость за счет излучения составляет . И множитель «2» учитывает излучение в обе стороны.
Поток уходящий за счет конвекции в газ , поток уходящий за счет пленочного кипения на испарение .
2. При равновесии температура стенки постоянна и . Поэтому
Коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении бутана (53)
Физические величины для пара брались при .
Равновесная температура стенки определяется из условия равенства падающего потока и суммы уходящих по обе стороны стенки
Применяем метод последовательных приближений
1. Пусть тогда правая часть равна:
что меньше, чем падающего потока.
2. Пусть , правая часть
3. правая часть
что хорошо совпадает с
Таким образом, температура стенки может подняться до , что немного хуже приведет к разрушению резервуара, так как при температуре стали выше прочность металла резко снижается.
Пример: В условиях предыдущего примера рассмотреть случай мгновенного разрушения резервуара и охлаждение жидкого бутана оставшегося в резервуаре до температуры . Температура стенки за время мгновенного испарения не изменялась и осталась равной 25 0С. Определить испарение бутана за счет теплообмена со стенкой резервуара. Толщина стенки резервуара .
1. Начальная разность температур (температурной напор) меньше, чем (см. предыдущий пример), поэтому в начальный момент устанавливается пузырьковое кипение с начальным тепловым потоком:
При этом и стенка не является термически тонким телом.
2. При пузырьковом кипении изменение теплового потока от стенки при охлаждении стенки не совпадает с тепловым потоком при ее нагревании при одном и том же тепловом напоре. Кипение бутана происходит за счет теплового ресурса стенки, и величина теплового потока при охлаждении больше, чем при нагревании стенки при одном и том же температурном напоре (явление гестерезиса). Величина теплового потока при пузырьковом кипении в режиме охлаждения стенки будет определяться из условия, что температурный напор уменьшается. При этом скорость роста пузыря уменьшится согласно , а плотность центров парообразования сохраняется на уровне начального или начального температурного напора[5]. Это значит, что тепловой поток будет определяться начальным коэффициентом теплоотдачи .
В таком случае температура стенки будет в течении времени, соответствующего условию как термически толстого тела . Так как , то и ,
Тепловой поток к этому времени .
3. За время или из стенки уйдет количество тепла
Полный тепловой ресурс стенки толщиной 24 мм при охлаждении от 25 до -0,5 составляет
Таким образом, за первые 19,5 сек израсходуется ее теплового ресурса.
За это время с одного квадратного метра стенки выкипит
При вычислении учтено тепло уносимое паром со средней температурой
4. При теплообмен будет описываться выражением (44) справедливым для . В рассматриваемом случае
Для
что неплохо согласуется с результатом для снизу.
Тепловой поток из пластины на кипение
Количество тепла ушедшее из пластины с момента до
Для:
Приложение А.
Процессы молекулярного переноса, то есть диффузия, теплопроводность и вязкость, имеют в своей основе одно явление: перенос массы, перенос энергии и перенос импульса за счет движения молекул рассматриваемой среды. Для переноса соответствующего физического свойства среды необходимо, чтобы это свойство было неравномерно распределено в среде, то есть существует градиент в распределении этих свойств.