Теплообмін при конденсації пари

Термічний опір передачі теплоти. Режими плину плівки конденсату. Теплообмін при плівковій конденсації. Середній коефіцієнт тепловіддачі. Рівняння Нуссельта в безрозмірному виді. Турбулентний плин плівки по вертикальній поверхні. Ламінарний плин плівки.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

РеФЕРат

на тему:

ТЕПЛООБМІН ПРИ КОНДЕНСАЦІЇ ПАРИ



Основні положення

Конденсація являє собою перехід з паро- або газоподібного стану в рідкий стан. Процес конденсації має місце в конденсаторах парових турбін, опріснювальних установках і теплообмінних апаратах. У процесі конденсації виділяється теплота фазового переходу. Процес конденсації можливий тільки при докритичних станах речовини й здійснюється шляхом охолодження або стиску.

Конденсація може відбуватися як в об'ємі пари, так і на охолоджуваній поверхні. У першому випадку, в об'ємі пари утворяться крапельки рідини, при значному переохолодженні пари щодо температури насичення. У техніці конденсація частіше всього відбувається на охолоджуваних поверхнях теплообміну. При цьому температура поверхні (стінки) повинна бути нижче температури насичення при даному тиску. Якщо на поверхні конденсату утвориться плівка рідини то конденсація називається плівковою. Якщо ж на поверхні теплообміну утворяться крапельки рідини, то така конденсація називається краплинною. Плівкова конденсація має місце, якщо конденсат змочує поверхню теплообміну. Якщо конденсат не змочує поверхню, то утвориться краплинна конденсація.

Змочуваність характеризується крайовим кутом , утвореним поверхнею рідини й поверхнею твердого тіла, що граничать із паром, мал. а).



Стан рівноваги краплі визначається рівнянням.

Якщо поверхневий натяг між газом і стінкою більше, ніж між твердим тілом і рідиною, , крайовий кут , рідина змочує тверду поверхню. При , крайовий кут , рідина не змочує поверхню.

Термічний опір передачі теплоти

При краплинній конденсації водяної пари тепловіддача може бути в багато разів більше, ніж при плівковій. Плівка конденсату є більшим термічним опором передачі теплоти фазового переходу. Між краплями, що утворилися, конденсату може бути й може не бути мікроплівка конденсату, тому її термічний опір менше, ніж для випадку плівкової конденсації.

Будемо думати, що поверхня конденсації плоска. Термічний опір передачі теплоти від пару до стінки можна представити



де - термічний опір плівки конденсату;

- термічний опір на границі розділу фаз (міжфазний термічний опір). Поява цього опору обумовлено стрибком температури на границі розділу фаз.

Видима конденсація є результуючим ефектом сукупності молекул, що вдаряються об поверхні і захватуються нею, а також випар молекул, що відриваються за той же час із поверхні. У результаті в поверхневому шарі пару рухаються два нерівних потоки молекул, що мають різну температуру (енергію). Товщина шару - порядку середньої довжини вільного пробігу. Такий шар називається кнудсеновським. Температура в цьому шарі відрізняється від поверхні рідини. Перепад температур сприймається як стрибок. Чим більше молекул відбивається, тим більше стрибок. Це враховується коефіцієнтом конденсації, . ( - відношення числа захоплюваних молекул, до загального числа падаючих).

При малому коефіцієнті конденсації стрибок може бути значним при низьких тисках, тоді порівнянне с. Стрибок збільшується і зі збільшенням . З ряду експериментальних досліджень треба, що при конденсації чистої пари з Па температурний стрибок на границі розділу фаз відсутній .

Режими плину плівки конденсату

Термічний опір плівки залежить від режиму плину. Поперек ламінарно-текучої плівки теплота переноситься теплопровідністю, через турбулентну - додатково і конвекцією. Режим плину плівки визначається по числу Рейнольдса

де - середня швидкість плину плівки в розглянутому поперечному перерізі;

- товщина плівки в цьому ж перетині;

- кінематичний коефіцієнт в'язкості конденсату.

Для випадків конденсації найбільш імовірним значенням є . Як ламінарний, так і турбулентний плин плівки може супроводжуватися утворенням хвиль на вільній поверхні рідини. Під дією гравітаційних сил і випадкових обурень частинки рідини одержують зсув щодо рівноважного стану. Сили ж поверхневого натягу прагнуть повернути частинки в стан рівноваги. Однак по інерції вони проходять цю рівновагу й частинки рідини знову зазнають дії відбудовних сил. У результаті на поверхні виникають хвилі, а рух рідини називають хвильовим. Значення числа, при якому виникають хвилі визначається по рівнянню

При хвильовому русі плівки під дією гравітаційних сил розрізняють товщину виступів, товщину западин і середню товщину плівки. У ламінарній області розрізняють чисто ламінарний плин , ламінарно-волновий перший , ламінарно-волновий другий . На поверхні великих хвиль з'являються дрібні.

При поздовжньому русі пару уздовж поточної плівки рідини пар може, як прискорювати, так і сповільнювати потік рідинної плівки. При цьому режимі її плину може істотно змінюватися, що дуже впливає на теплообмін.



Теплообмін при плівковій конденсації нерухомої пари

Ламінарний плин плівки по вертикальній поверхні

Розглянемо процес конденсації сухого насиченого пару на вертикальній стінці з постійною температурою . Використовуючи ряд допущень спрощують рівняння енергії та руху.

Інтегрування рівняння дає

;

Таким чином, якщо поперек плівки теплота переноситься тільки теплопровідністю то ; - товщина плівки конденсату. Товщина плівки конденсату залежить від кількості (витрати) конденсату в даному перерізі.

Через переріз, що лежить нижче будь-якого довільного поперечного перерізу на величину протікає конденсату трохи більше. Приріст витрати відбувається за рахунок конденсації. Тоді, одержимо

.

Ліва частина рівняння - кількість конденсату, що протікає через поперечний переріз; права частина - приріст конденсату; - теплота паротворення. Рішення даного рівняння, шляхом інтегрування, відносно товщини плівки, дає результат

У такому випадку місцевий коефіцієнт тепловіддачі визначиться з рівняння

,

Середній коефіцієнт тепловіддачі

де - теплофізичні константи конденсату;

- температурний напір;

- висота стінки;

- координата по висоті стінки.

Рівняння для вперше отримано Нуссельтом 1916р.

У міру збільшення координати по висоті (зверху в низ) товщина плівки наростає, а коефіцієнт тепловіддачі плавно зменшується. Облік змінності фізичних параметрів по висоті провадиться шляхом множення формул на виправлення

Індекси “c” - стінка; ”н” - насичення.

Хвильовий характер руху враховується виправленням Д.А. Лабунцова



При малих значеннях , і з , збільшується. Таким чином, для розрахунку середніх коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації нерухомого чистого пару на вертикальних поверхнях при ламінарному режимі плину використовується формула

- по формулі Нуссельта.

Рівняння Нуссельта в безрозмірному виді

;

- приведена висота вертикальної поверхні.

- висота стінки.

Формула справедлива при , відповідне значення .

Турбулентний плин плівки по вертикальній поверхні

У випадку, коли можуть мати місце режими, при яких у верхній частині труби утвориться ламінарний режим, а в нижній турбулентний режим. При цьому перпендикулярно поточній плівці теплота переноситься не тільки теплопровідністю, але й турбулентними пульсаціями. Режим плину плівки хвильовий, гребені хвиль опускаються нижче основи й у деяких місцях вектора швидкості можуть мати протилежний напрямок. Для турбулентного режиму плину розрахунок середніх коефіцієнтів тепловіддачі ведеться по формулі

Як визначальна температура приймається температура насичення, , а визначального розміру - висота.

Конденсація на горизонтальних трубах

Для похилих стінок коефіцієнт тепловіддачі визначається по формулі

Для горизонтального циліндра Нуссельт одержав наступну формулу для розрахунку середнього по зовнішній окружності труби коефіцієнта тепловіддачі для ламінарного плину плівки

Формула від вертикальної стінки відрізняється коефіцієнтом 0,728 і визначальним розміром замість висоти - діаметр .

У безрозмірній формі рівняння має вигляд

;

де - радіус труби; - визначальна температура. Комплекси фізичних величин для водяного протабульовані залежно від температури насичення.

, .

У зв'язку з тим, що інтенсивність теплообміну при конденсації визначається термічним опором плівки конденсату, важливе значення для одержання високих має правильне розташування труб у конденсаторі. Бажано шахове розташування. Для вертикальних труб, коефіцієнт тепловіддачі донизу зменшується, внаслідок стовщення плівки. У цьому випадку для збільшення , по висоті труби встановлюють конденсатовідводячі ковпачки. При горизонтальному розташуванні труб, проміжний відвід досягається за допомогою спеціальних похилих перегородок.

Помітно змен...