стуватися критерієм подібності Нуссельта
,
де - коефіцієнт тепловіддачі, - Характерний розмір, визначений вище.
Експериментально встановлено наступне співвідношення, що дозволяє обчислити при граничному тепловому потоці:
1.2 Зона конденсації
Пар рідини, контактуючи з охолоджуваною поверхнею, конденсується. Цей процес, як уже зазначалося, супроводжується виділенням тепла, кількість якого одно тепла, поглиненому при паротворенні. Конденсація відбувається при строго певному тиску насичують парів рв.
Малюнок 1.6 - Крапельна конденсація в зане охолодження теплової труби
Дослідження показали, що характер конденсацій (як і характер процесу кипіння) в значній мірі залежить від ступеня смачиваемости поверхні конденсатом. Якщо поверхня не змочується, на ній утворюються окремі крапельки. Ці крапельки ростуть, а потім падають під дією сили тяжіння. Такий процес носить назву крапельної конденсації (малюнок 1.6). Якщо ж поверхня добре змочується конденсатом, замість крапель утворюється суцільна плівка, що стікає по стінці. Важливо відзначити, що при безперервно поступающем парі весь час існує рівноважна плівка конденсату. У цьому випадку пар контактує практично не з твердою поверхнею стінки, а з поверхнею плівки (малюнок 1.7).
Малюнок 1.7 - Плівкова конденсація в зане охолодження теплової труби
Як розрізняються умови теплопередачі при цих двох режимах конденсації?
При крапельної конденсації теплообмін, очевидно, вище, так як розігрітий пар безпосередньо контактує з поверхнею стінки. Температурний перепад між парою і стінкою практично відсутня.
При плівковою конденсації такого прямого контакту немає. Плівка конденсату обумовлює термічний опір і відповідний перепад температури. Очевидно, чим товще рівноважна плівка, тим більше величина перепаду. Термічний опір плівки конденсату - не єдиний фактор, що визначає теплопередачу при конденсації. Важливе значення має процес дифузії з обсягу. Ці два процеси в залежності від конкретних умов відіграють різну роль.
Якщо конденсована рідина характеризується низькою теплопровідністю, тобто критерій Прандтля такої рідини багато більше одиниці, то основну роль при теплопередачі грає плівка конденсату (точніше, її термічний опір).
Якщо ми маємо справу з рідкими металами, характеризующимися високою теплопровідністю (Pr lt; lt; 1), то, очевидно, головну роль грає інтенсивність підведення пари до поверхні, тобто його дифузія. Процеси на поверхні рідини не сильно впливають на перенесення тепла. Зокрема, цим пояснюється незначна чутливість тепловіддачі в зоні конденсації теплових труб, наповнених рідкими маслами, до режиму конденсації (плівковому або крапельному).
Якщо розглянути поперечний переріз вертикальної теплової труби в зоні конденсації, то при хорошому змочуванні можна бачити безперервно стікаючу вниз плівку конденсату, товщина якої через поступове накопичення конденсату дедалі збільшується. Однак коефіцієнт тепловіддачі при інших рівних уcловіях вище там, де плівка тонше.
Малюнок 1.8 - Різний характер перебігу плівки в зоні конденсації теплової труби а - ламінарний (Re? 30), б - хвилеподібний (Re gt; 50), в-турбулентний (Re? 1500)
Цікаво простежити за характером течії рідини в плівці. При малих теплових потоках, тобто при малих кількостях конденсату, товщина плівки незначна і течія в ній носить ламінарний, упорядкований характер (малюнок 1.8 (а)). Але ось тепловий потік з тих чи інших причин зріс, плівка стала «полноводнее», товщина її зросла, а протягом набуло хвилеподібний характер (малюнок 1.8 (б)). Нарешті, при ще більших потоках протягом втрачає ознаки впорядкованості - настає турбулентний режим течії з інтенсивним перемішуванням (малюнок 1.8 (в)). Остання обставина істотно покращує ефективність тепловіддачі в порівнянні з ламінарним режимом.
Вже ці якісні міркування показують, наскільки важкий теоретичний аналіз розглянутих явищ. Однак на підставі численних експериментів вдалося встановити межі існування різних режимів течії. Визначальним у цьому випадку виявилося значення безрозмірного критерію, встановленого англійським фізиком-інженером Осборном Рейнольдсом (1842-1912):
де - кінематична в'язкість, - характерний для даної задачі розмір, - швидкість течії рідини.
Якщо число Рейнольдса менше або дорівнює 20-30, має місце ламінарний плин рідини в плівці. При Re gt; 30-50 протягом хвильове, і, нарешті, при Re gt; 1500 настає турбулентний режим течії.
Для деяких режимів течії вдалося знайти розрахункові формули для коефіцієнтів тепловіддачі. Зокрема, для ламінарної течії плівки при швидкостях руху пари менше 10 м/с середній коефіцієнт тепловіддачі на ділянці конденсації висотою h у вертикальній трубі складе:
