Лекции по "Теплотехнике"

53

Теплообмен при конденсации насыщенных паров

2.4. Теплообмен при конденсации насыщенных паров

При конденсации паров тепло конденсации отводится к холодной стенке. Конденсат, скапливающийся на стенке, оказывает основное термическое сопротивление теплоотдаче при конденсации. В случае плохой смачиваемости поверхности конденсации, конденсат образуется в виде отдельных капель (капельная конденсация). Так как капли занимают малую долю поверхности теплоотдачи, то термическое сопротивление при капельной конденсации близко к нулю. Этот вид конденсации отличается неустойчивостью процесса и встречается редко. Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации существенно выше, чем при пленочной конденсации и достигает 100150 кВт/(м2К).

Если конденсат смачивает поверхность конденсации, то он образует на ней стекающую вниз пленку (пленочная конденсация). Характер течения пленки зависит от высоты поверхности конденсации и количества конденсата. Обычно в верхней части стенки наблюдается ламинарный режим течения конденсата, затем переходный и внизу стенки возможно наступление турбулентного режима течения пленки (рис. 2.6). Локальные значения коэффициента теплоотдачи зависят от теплофизических свойств конденсата, толщины пленки конденсатного ручья и режима его течения. В верхней части стенки конденсат стекает в ламинарном режиме и тепло через пленку проходит только за счет теплопроводности. Распределение температур в конденсатной пленке в считается линейным (рис. 2.6,в). Во второй и третьей зоне, непоредственно у стенки, течет ламинарный подслой 1, в котором сохраняется линейное распределение температур, а поверх него находится турбулентный подслой конденсатного ручья 2, в котором тепло проходит за счет теплопроводности и конвективным путем, что приводит к распределению температур в этой части по криволинейной зависимости. С ростом толщины ламинарного потока в верхней части стенки коэффициент теплоотдачи падает (рис.2.6,б), достигает минимальных значений и затем, по мере увеличения степени турбулизации и скорости движения конденсатного ручья, увеличивается.

Рассматривая равенство тепловых потоков теплоотдачи и теплопроводности через ламинарную пленку конденсата толщиной , получим =/. Таким образом, коэффициент теплоотдачи при конденсации определяется параметрами конденсатной пленки. Средние значения коэффициента теплоотдачи при конденсации определяются по критериальному уравнению, полученному на основе теории подобия

Nu=A(Ga Pr Ks)0,25,                                                        (2.37)

где Кs=r/(ct) – критерий конденсации; с – теплоемкость конденсата, Дж/(кгК); t=ts-tст – температурный напор конденсации, С; А – постоянный сомножитель, численные значения которого зависят от типа поверхности конденсации. Подставив в уравнение (2.37) выражения для критериев подобия, получим

L/=A(gL3/2)0,25(/a)0,25(r/(ct))0,25,

отсюда                                                         .                    (2.38)

При конденсации пара на горизонтальных трубах конденсатная пленка имеет минимальную толщину на верхней точке (рис.2.7) и по мере стекания ее толщина растет, достигая максимальных значений в месте отрыва пленки от поверхности трубы. Обычно на одиночныхтрубах наблюдается только ламинарный конденсатный ручей.

Последнее уравнение используется для расчета коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме течения конденсатной пленки на вертикальных стенках (А=1,645) и одиночных горизонтальных трубах (А=1,288). В качестве определяющего размера используется размер поверхности конденсации по вертикали. Физические константы для конденсата (вязкость, теплопроводность, теплота конденсации и плотность) берутся при температуре насыщения. Сомножитель С, учитывающий свойства конденсатной пленки, зависит от природы и температуры. Для воды в интервале температур 60160 С С= =4115,8+40,562 t-0,1217 t2.

Граница применения уравнения (2.38) определяется значением критерия Рейнольдса для конденсатной пленки Reпл=tL/(r)<100.

При наличии турбулентного режима расчетное уравнение усложняется. Обычно для расчета используется уравнение, включающее комплекс

Z=.                                                                      (2.39)

Расчетные уравнения с использованием комплекса Z имеют вид:

=0,95r   Z0,78/(t L)     при   Z<2300;                                                        (2.40)

=0,25r [253+0,069Pr0,5(Z-2300)]1,33/(t L) при Z>2300.              (2.41)

При конденсации пара на пучке горизонтальных труб большое влияние на коэффициент теплоотдачи оказывает схема расположения труб в пучке. При расположении труб на одной вертикали конденсат верхних труб заливает всю поверхность нижних труб, и средние значения коэффициента теплоотдачи для пучка могут оказаться в 22,5 раза ниже, чем коэффициент теплоотдачи для верхнего ряда труб. Для уменьшения толщины пленки конденсата используется ромбическое расположение труб в пучке под углом 60 (схема Жинаба). Пучок повернут от вертикальной оси на угол, обеспечивающий расположение оси верхней трубы над краем трубы, находящейся под ней. В этом случае конденсат с верхней трубы стекает на край нижней трубы и по её нижней поверхности стекает на край следующей. Таким образом, при расположении труб по схеме Жинаба конденсатом заливается около четверти поверхности нижних труб. Расчет среднего коэффициента теплоотдачи для пучка труб проводится по уравнению (2.38) с введением справочного поправочного коэффициента , зависящего от числа рядов n в пучке по главной диагонали по эмпирической зависимости =0,84n-0,02.

При расчете коэффициента теплоотдачи перегретого пара расчет проводится по тем же зависимостям, что и для насыщенного пара с использованием вместо теплоты парообразования суммы теплоты парообразования и теплоты перегрева пара.

Присутствие газов в конденсирующемся паре уменьшает коэффициент теплоотдачи. Снижение интенсивности теплообмена связано с образованием на поверхностях конденсации газовых подушек, которые препятствуют диффузии пара к поверхности конденсации. Если не принимать мер по удалению газовых подушек, то процесс конденсации на промышленных аппаратах может прекратиться полностью. Для их удаления используется продувка паровых полостей паром. Для этой цели в верхней части паровых полостей промышленных теплообменников установлены штуцеры продувки, которые открывают на несколько минут один раз в смену. При этом вместе с выбрасываемым паром удаляются и газовые подушки.

На теплообмен при конденсации оказывает влияние также и скорость пара. При его движении сверху вниз пар увеличивает скорость течения конденсатной пленки, снижает ее толщину и увеличивает коэффициент теплоотдачи. В случае противоположного движения пара движение конденсатной пленки тормозится, её толщина растет и коэффициент теплоотдачи уменьшается. Однако при достаточно больших скоростях пара пленка конденсата им сдувается и коэффициент теплоотдачи растет.

55

Теплообмен при кипении жидкостей

2.5. Теплообмен при кипении жидкостей

При кипении жидкостей тепло от горячей стенки передается пристенному слою. Пузырьки пара, образование которых проходит в конкретных точках поверхности кипения (центрах парообразования), в процессе роста и отрыва, оттесняют частицы перегретого слоя в ядро кипящей жидкости. За счет этого тепла и идет нагрев жидкости (если она еще недогрета до температуры кипения) и рост паровых пузырьков, оторвавшихся от поверхности нагрева. Величина перегрева пристенного слоя жидкости зависит от тепловой нагрузки, свойств кипящей жидкости и состояния поверхности нагрева и определяется условиями существования паровых пузырьков.

Для того чтобы паровой пузырек не был раздавлен жидкостью, давление внутри пузырька должно быть выше давления над зеркалом жидкости на величину гидростатического давления на глубине погружения пузырька плюс давление, создаваемое силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар. Последняя величина обратно пропорциональна диаметру пузырька. Таким образом, отрывной диаметр парового пузырька определяется давлением пара внутри него, которое будет равно давлению насыщенных паров окружающих слоев жидкости. С другой стороны, отрывной диаметр парового пузырька определяется размером центра парообразования, который представляет собой царапины, поры или впадины на твердой поверхности. Таким образом, чем крупнее центр парообразования, тем меньшие перегревы пристенного слоя требуются для отрыва паровых пузырьков. При увеличении температуры поверхности нагрева начинают действовать центры парообразования с меньшими размерами, увеличивается число действующих центров парообразования, возрастает число отрывающихся пузырьков, растет турбулизация жидкости, увеличивается интенсивность теплообмена.

На рисунке 2.8 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи от разности температур стенки и насыщенных паров, которую называют кривой кипения. При температурных напорах до 12 С тепло передается преимущественно теплопроводностью (зона 1). При увеличении напора до 34 С существенную роль играет свободная конвекция  (зона 2), а при более высоких перегревах до 79 С начинают действовать отдельные, наиболее крупные центры парообразования. Здесь количество тепла, передаваемое естественной конвекцией, и тепло, передаваемое по механизму теплоотдачи при кипении, соизмеримы. Паровые пузырьки всплывают в жидкости, не касаясь друг друга. Это режим неразвитого пузырчатого кипения  (зона 3). Здесь коэффициент теплоотдачи пропорционален t0,20,3. При дальнейшем увеличении температуры стенки возрастает число действующих центров парообразования, жидкость интенсивно перемешивается, наблюдается развитое пузырчатое кипение (зона 4). В начале зоны слияние пузырьков наблюдается только в верхних слоях жидкости. В зоне развитого кипения коэффициент теплоотдачи пропорционален t1,52,2. По мере увеличения температуры, область слияния пузырьков опускается к поверхности нагрева, а в точке К, называемой критической, происходит кризис кипения. Действующих центров парообразования появляется так много, что паровые пузырьки сливаются друг с другом уже в момент отрыва и образуют нестабильную паровую пленку. Наступает пленочный режим кипения (зона 6). Теплопроводность паровой пленки значительно ниже, чем теплопроводность жидкости, поэтому коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении резко снижается и в дальнейшем практически не меняется. Между режимами развитого пузырчатого и пленочного кипения находится довольно узкая переходная зона (зона 5). При очень больших температурных напорах существенным оказывается влияние лучистого теплообмена и коэффициент теплоотдачи вновь начинает расти (зона 7).

Для определения коэффициента теплоотдачи при кипении предложено большое число зависимостей, которые плохо согласуются друг с другом. Авторы учебника [4] рекомендуют формулы:

=Аq0,7р0,171        и      =(А)3,33t2,33р0,57,                                          (2.42)

где А – постоянный сомножитель (при кипении в большом объеме А=3,02, при кипении в трубах А=3,15); q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; t – температурный напор, С; р – давление, бар;  – относительный коэффициент теплоотдачи:

для воды =1,

для индивидуальных веществ =(ркр/221,2)0,52,

для индивидуальных веществ и смесей =(0,018/М)0,47(в/)0,06,

для растворов солей   =18(в/)0,23(р/рs)0,06,

где ркр – критическое давление веществ, бар;  – плотность вещества, кг/м3; М – молекулярная масса вещества; в и  – динамическая вязкость воды и вещества, Пас; в и  – кинематическая вязкость воды и вещества, м2/с; рs – давление насыщенных водяных паров при температуре кипения раствора.

Для определения критического удельного теплового потока (Вт/м2) рекомендуется формула

qк=0,15r()0,5[g(-)]0,25.                                          (2.43)

При кипении пленок, стекающих по поверхности нагрева, возможны два режима течения пленки. При ламинарном течении (при q<4000 Вт/м2) пленки кипение не происходит, а идет испарение жидкости с её поверхности и коэффициент теплоотдачи определяется толщиной , скоростью w и физическими свойствами пленки жидкости

.                                          (2.44)

При турбулентном потоке пленки в ней наблюдается пузырьковое кипение жидкости и коэффициент теплоотдачи вычисляется по формуле

=16,35(/)(w/)0,26[q/(Ts)]0,69 при q=400015000 Вт/м2;

и              =2,6(/)(w/)0,2[q/(Ts)]0,32 при q>15000 Вт/м2.                               (2.45)

94

Лучистый и сложный теплообмен

2.6. Лучистый и сложный теплообмен

При лучистом теплообмене тепловая энергия, в результате сложных внутриатомных возмущений на поверхности одного тела, превращается в лучистую, а затем на поверхности другого тела происходит обратный процесс превращения лучистой энергии в тепловую. Интенсивность переноса тепла определяется температурами, состоянием и цветом поверхностей тел, их взаимным расположением, характером разделяющей среды и др. Лучистая энергия представляет собой световые (длина волны 0,4...0,8) и инфракрасные, или тепловые (длина волны 0,8...40), электромагнитные волны. Если система тел имеет одинаковую температуру, то она находится в динамическом тепловом равновесии, при котором количество излучаемой и поглощаемой лучистой энергии для каждого тела одинаково.

Лучистый поток, падающий на тело Qo,, разделяется на поглощенный Qa, отраженный Qr и проходящий сквозь тело Qd.

Qo=Qa+Qr+Qd,   или  A+R+D=1,                                          (2.46)

где A=Qa/Qo, R=Qr/Qo и D=Qd/Qo – поглощательная, отражательная и пропускательная способности тела.

В зависимости от соотношения параметров A, R и D тела подразделяются на абсолютно черное, абсолютно белое, зеркальное, диатермическое и серое.

При R=0, A=1 и D=0 вся падающая лучистая энергия поглощается телом и превращается в тепловую. Тело будет абсолютно черным. В природе таким телом является космическое пространство.

При R=1, A=0 и D=0 вся падающая лучистая энергия полностью телом отражается. Тело будет зеркальным (если отражение следует законам оптики) или абсолютно белым (если отражение будет диффузионным). В природе таких тел не существует.