Теплообмен при конденсации водяного пара
Конденсация насыщенного пара на твердой поверхности теплообмена происходит, если температура поверхности меньше температуры насыщения при давлении в паровом объеме. Тип конденсации, когда жидкая фаза образуется на поверхности теплообмена в виде устойчивой пленки, называется пленочной конденсацией. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает поверхность. Другим типом конденсации является капельная конденсация, когда на поверхности теплообмена сконденсированная фаза образует капли из-за отсутствия смачиваемости поверхности. В энергетических теплообменных аппаратах при установившемся режиме работы конденсат, как правило, смачивает поверхность теплообмена и происходит пленочная конденсация. Капельная конденсация наблюдается иногда при пуске теплообменного оборудования, когда на трубках имеются различные загрязнения. Термическое сопротивление передаче теплоты от конденсирующегося пара к стенке можно представить в следующем виде: , (3.1) где Rк - термическое сопротивление пленки конденсата, (м2·К)/Вт; αn - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубки, Вт/(м2·К); Tn,Тс - температура пара и поверхности стенки соответственно, К; q - удельный тепловой поток, Вт/м2; при конденсации сухого насыщенного пара удельный тепловой поток равен ; r - теплота фазового перехода, Дж/кг; G - количество конденсата, образовавшееся в единицу времени, кг/с; F - площадь поверхности, на которой происходит конденсация, м2. Термическое сопротивление конденсатной пленки Rк зависит от толщины пленки и режима ее течения. Через ламинарно текущую пленку теплота переносится теплопроводностью, а через турбулентную - дополнительно еще и конвекцией. Переход от ламинарного течения пленки к турбулентному определяют по значению числа Рейнольдса пленки , (3.2) где w - средняя скорость течения пленки конденсата в рассматриваемом поперечном сечении, м/с; δ- толщина пленки конденсата в этом же сечении, м; v -кинематическая вязкость конденсата, м2/с. *** Опытные данные показывают, что при конденсации неподвижного пара на вертикальной поверхности теплообмена переход к турбулентному течению пленки конденсата происходит при критическом числе Рейнольдса Reккр=400. Интенсивность теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара выражается коэффициентом теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты отдается единице поверхности в единицу времени при разности температур между паром и стенкой в 1 градус К. При пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке в случае ламинарного течения пленки коэффициент теплоотдачи определяется по формуле В. Нуссельта , (3.3) где ρк ,λк ,μк - плотность, теплопроводность и динамическая вязкость конденсатной пленки, определяемые по средней температуре пленки конденсата, равной полусумме температуры насыщения и температуры стенки, h - высота стенки. Решение Нуссельта было получено в предположении постоянства физических параметров конденсата по высоте стенки и не учитывает волнообразования в пленке. Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи к значению α0 следует ввести поправки , (3.4) где - средний коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара; α0- коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по зависимости (3.3); - поправка, учитывающая влияние температуры на физические параметры конденсатной пленки; - поправка на волнообразование в пленке конденсата; Prн, Prc- числа Прандтля, рассчитанные по температуре насыщения и температуре стенки соответственно. Экспериментальным исследованием процессов волнообразования в пленке конденсата установлено, что коэффициент теплоотдачи при волновом течении примерно на 21% выше вычисленного по формуле (3.3). С учетом этой величины получена следующая зависимость для определения среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации на вертикальной поверхности при ламинарном течении пленки конденсата: , (3.5) где А - коэффициент пропорциональности, объединяющий соответствующие величины физических параметров конденсатной пленки и с точностью до 1% аппроксимированный зависимостью А=1,163 (5952+67,85·tк-0,211·tк2); tк =(Тк -273) - температура пленки конденсата, °С . В условиях турбулентного режима течения пленки конденсата, чему соответствует значение числа Рейнольдса в пределах 250< Reк < 600, теплоотдача происходит более интенсивно, поскольку кроме молекулярной теплопроводности перенос теплоты осуществляется еще и за счет турбулентных пульсаций. При конденсации пара на вертикальной стенке в верхней ее части пленка стекает ламинарно, затем на части поверхности устанавливается режим волнового течения и в нижней части стенки, в некотором сечении по ее высоте, происходит переход к турбулентному течению. В зоне турбулентного течения теплоотдачу можно рассчитать по следующей зависимости : , (3.6) Если число Рейнольдса конденсатной пленки значительно превышает критическое значение, соответствующее переходу ламинарного течения в турбулентное, то средний коэффициент теплоотдачи определится из выражения , (3.7) При Reк > 2000 можно пользоваться зависимостью , (3.8) Критерием для определения характера течения пленки конденсата на вертикальной поверхности может служить величина температурного напора (Тн-Тст). Смешанное течение пленки (ламинарное в верхней части вертикальной поверхности и турбулентное - в нижней) происходит в том случае, если температурный напор Δt = (Тн - Тст ) больше критического, определяемого по соотношению , (3.9) где D определяется по температуре пленки конденсата и аппроксимируется зависимостью D = 63,54 При смешанном течении пленки рекомендуется следующая зависимость для расчета среднего коэффициента теплоотдачи: , (3.10) Коэффициенты В и С с точностью до 1% аппроксимированы следующими зависимостями: В = 1,163(8116,7-tк0,309); при tк< 110°С С = -1,163(4,01· tк2 - 763,08· tк + 22700), при tк> 110°С С = 1,163 (18361,1 - 48,06 tк ). *** Коэффициент теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубке в условиях ламинарного течения пленки конденсата выражается следующей формулой, полученной В. Нуссельтом , (3.11) где dн - наружный диаметр трубки. Для развития волнового течения конденсатной пленки на горизонтальной трубке необходим определенный участок течения протяженностью в несколько длин волн. Поэтому на трубках небольших диаметров волновое течение не успевает развиться. Учитывая это обстоятельство, поправку на волнообразование в пленке конденсата при конденсации водяного пара следует вводить только тогда, когда диаметр трубки удовлетворяет условию dн > 50 мм. *** Конденсация движущегося пара происходит с большей интенсивностью, чем конденсация неподвижного пара. Расчетные формулы, основанные на обработке опытных данных, приведены в виде зависимости , (3.12)
где - коэффициент теплоотдачи со стороны движущегося пара; - коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара; -безразмерный критерий скорости пара; wн- средняя скорость пара в межтрубном пространстве аппарата, м/с. Значения коэффициентов а и b в формуле (3.12) выбираются в соответствии с ниже приведенной таблицей
Для учета влияния скорости поперечного потока пара на теплоотдачу при конденсации на вертикальной трубке вводится поправка к коэффициенту теплоотдачи α0 , (3.13) где ρп, ρпл - плотность пара и конденсатной пленки соответственно, кг/м3; λпл- теплопроводность пленки конденсата, Вт/(м·К). *** Конденсация в пучках трубок характеризуется большой скоростью пара, что обусловлено значительной производительностью пучка. Из-за конденсации пара, однако, по мере прохождения его через трубный пучок скорость пара непрерывно падает, что приводит к последовательному уменьшению теплоотдачи от ряда к ряду. Скорость пара изменяется и по сечению пучка, что также затрудняет расчет теплоотдачи. Дополнительные трудности вносятся влиянием стока конденсата в нижнюю часть пучка. В теплообменных аппаратах, работающих при давлениях пара ниже барометрического, расчет теплообмена затруднен наличием в паре воздуха, что существенно снижает интенсивность теплоотдачи из-за дополнительного диффузного сопротивления воздуха. В настоящее время практически единственным способом определения теплоотдачи в трубных пучках реальных аппаратов является лабораторный эксперимент, а также обобщение опытных данных по результатам многочисленных испытаний аппаратов однотипных конструкций. *** В диапазоне параметров, характерных для работы подогревателей высокого давления (ПВД), средний коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара αн в пучках горизонтальных и вертикальных трубок можно определять по графикам на рис.3.1 и 3.2 в зависимости от удельной тепловой нагрузки q=Q/F. Влияние скорости пара на средний коэффициент теплоотдачи для горизонтальных спиральных труб может быть учтено по графику на рис.3.3 в зависимости от величины параметра где wуз- скорость пара в узком сечении, м/с, подсчитанная как среднее геометрическое значение скоростей пара на входе и выходе межтрубного пространства, т.е где ρп, ρк - плотности пара и конденсата соответственно, кг/м3; μп, μк- коэффициент динамической вязкости пара и конденсата, Па·с.
*** В аппаратах смешивающего типа конденсация пара происходит на струях. При расчете конденсации на струе жидкости обычно требуется определить среднемассовую температуру в заданном сечении струи и количество переданной теплоты на расчетном участке. При конденсации насыщенного пара на участке струи от х=0 до x=L уравнение теплового баланса записывается в следующем виде: GпL·r + GпL·Срж·(Tн-TL) = Gж·cрж·(TL-T0), (2.14) где GпL - расход сконденсировавшегося пара на участке от х = 0 до x =L; Gж - начальный расход жидкости; Т0, TL - средние по сечению температуры жидкости соответственно при х= 0 до х = L. Максимально возможный расход сконденсировавшегося пара Gп определяется из (3.14) при условии TL =Tн Gп·r = Gж · Cрж·(Тн - T0), (2.15) Значение среднего по длине струи коэффициента теплоотдачи а можно вычислить из соотношения GпL·r= F, (2.16) где F- поверхность струи, определяемая по размерам сопла, F=πdL, d- диаметр сопла; - среднелогарифмический температурный напор на расчетном участке струи.
Из уравнений (3.14) - (3.16) с учетом того, что , следует , (3.17) где w0 - скорость истечения струи; - число фазового перехода.
Популярное: Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1293)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |