Интенсификация теплообмена в конденсаторах

Основной путь интенсификации – уменьшать толщину плёнки, удаляя её с поверхности теплообмена. С этой целью на вертикальных трубах устанавливают конденсатоотводные колпачки (рис. …) или закрученные рёбра. Например, колпачки, установленные с шагом 10 см, увеличивают теплообмен в 2÷3 раза. На горизонтальных трубах ставят невысокие рёбра, по которым конденсат быстро стекает. Эффективна подача пара тонкими струйками, разрушающими плёнку (теплообмен увеличивается в 3÷10 раз).

Влияние примеси газов на конденсацию

При содержании в паре даже небольшой примеси неконденсирующихся газов теплоотдача резко уменьшается, так как газ остаётся у стенки после конденсации пара и, накапливаясь, препятствует продвижению пара к стенке. Так, при содержании в паре 1% воздуха теплоотдача снижается в 2,5 раза, 2% – более чем в 3 раза.

При движении пара это влияние много меньше, но всё равно в промышленных установках воздух приходится откачивать из конденсаторов (иначе он занимает объём аппарата). И стараются вообще исключить его присутствие в паре.

Расчёт конденсации

Так как конденсация – процесс, обратный к кипению, то основная расчётная формула по существу та же, что при кипении:

,

где – количество образующегося конденсата (конденсирующегося пара), кг/с;

– отводимый от стенки тепловой поток, Вт;

– теплота фазового перехода, Дж/кг.

Эта формула не учитывает теплоту охлаждения пара до температуры насыщения и последующего охлаждения конденсата. Их нетрудно учесть при известных температурах пара на входе и конденсата на выходе. Но, в отличие от случая кипения, здесь сложно оценить даже приближенно величину из-за небольшого температурного напора теплопередачи (от пара к теплоносителю, охлаждающему стенку). Формулы для различных случаев конденсации имеются в учебниках и справочниках.

Теплообмен излучением

Как отмечалось в начале курса, теплообмен излучением, или радиационный теплообмен, является одним из трех простых видов теплообмена, наряду с теплопроводностью и конвекцией. Там было сказано, что все нагретые тела самопроизвольно излучают энергию, которая распространяется в пространстве и, попадая на способные поглощать её тела, вновь превращается в тепловую. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны. Из обширного диапазона волн (от космического излучения до радиоволн) здесь рассматриваются те, возникновение которых связано с температурой излучающего тела, и которые непосредственно переносят теплоту. Это электромагнитные волны инфракрасного и, частично, видимого диапазонов. Процесс их распространения и называется тепловым излучением.

Замечания. 1. В соответствии с данным определением сюда не относятся такие виды излучения, как излучение лазеров, радиостанций, люминесценция и т.п.

2. Термины “радиационный”, “радиация” восходят к латинским словам “radius” – “луч”, “radiare” – “испускать лучи, излучать”, и до начала XX века относились именно к теплообмену излучением (“солнечная радиация” и т.п.). С открытием явления радиоактивности их значение расширилось и изменилось, но в теории теплообмена продолжает сохраняться.

Таким образом, каждое тело (реальное тело при температуре выше абсолютного нуля) излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Попадая на другое тело, она частью поглощается, частью отражается, частью может проходить сквозь тело. Поглощенная энергия снова превращается в тепловую. Это тело в свою очередь излучает энергию. В этом и состоит процесс лучистого теплообмена.

В соответствии с законами термодинамики, если температура всех тел замкнутой системы, участвующих в радиационном теплообмене, одинакова, то система находится в тепловом равновесии, и количество отдаваемой каждым телом теплоты равно количеству воспринимаемой. То есть разность между излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергией в этом случае равна нулю.

Учитывать лучистый теплообмен нужно, когда он достаточно велик по сравнению с другими видами (конвекция, теплопроводность). То есть в технике это обычно при высоких температурах нагрева (сотни и тысячи градусов) или слабом конвективном теплообмене (при свободной конвекции часто лучистый теплообмен соизмерим с конвективным даже при невысоких температурах).