14.1.1. Примеры решения задач
Задача 1. Определить интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении воды при давлении p = 106 Па и плотности теплового потока q = 0,5·106 Вт/м2.
Расчет проводим, используя зависимость (14.3).
Задача 2. Определить наибольший тепловой поток, который можно отвести от поверхности нагрева при пузырьковом кипении воды при давлении 10 МПа.
Наибольший тепловой поток при пузырьковом режиме кипения составляет значения qкр1 (удельную тепловую нагрузку можно увеличивать лишь до значения qкр1.
Расчет величины qкр1 проводим по формуле (14.4). При давлении воды 10 МПа физические свойства воды:
r = 1,32·106 Дж/кг; |
= 1,2·10-2 Н/м; |
' = 691 кг/м3; |
'' = 54,6 кг/м3. |
В этих условиях наибольший тепловой поток на 1 м2 поверхности теплообмена не должен превышать значения 4 МВт/м2. При превышении этого значения существует опасность возникновения кризиса кипения и перехода к плёночному кипению.
14.2. Теплоотдача при конденсации
14.2.1. Общее представление о процессе конденсации
Процесс конденсации часто встречается на практике в конденсаторах паровых турбин и холодильных установок, в опреснителях при получении питьевой воды и т.д. Суть процесса конденсации связана с отводом тепла конденсации через теплообменную поверхность с одновременным отводом конденсата. Поэтому для организации стационарного процесса конденсации пара необходимо непрерывно отводить тепло. Конденсация может происходить как на твердых теплообменных поверхностях, так и внутри объема пара. Пример конденсации в объеме — дождь. Для возникновения объемной конденсации пар должен быть перенасыщен – его плотность должна превышать плотность насыщенного пара. При этом в паре необходимо наличие мельчайших пылинок (аэрозолей), которые служат готовыми центрами конденсации. Для превращения каждого килограмма насыщенного пара в жидкость необходимо отвести тепло в количестве r, Дж/кг.
Q = r·G'', (14.7)
где r — скрытая теплота парообразования, значения которой находят из таблиц физических свойств данного вещества при данной температуре насыщения, зависящей от давления конденсации, Дж/кг;
G'' — количество конденсируемого пара, кг/с.
Когда пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, он отдает тепло стенке, конденсируется, и конденсат оседает на стенке. При этом различают два вида конденсации: капельную и плёночную. При капельной конденсации конденсат осаждается в виде отдельных капель, а плёночный режим конденсации сопровождается образованием сплошной плёнки жидкости.
14.2.2. Капельная конденсация
Режим капельной конденсации возможен лишь в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения. Капельная конденсация может быть получена искусственно путем нанесения на теплообменную поверхность тонкого слоя масла, жира, нефтепродуктов. Теплообменная поверхность должна быть хорошо отполирована. Капельная конденсация для водяного пара — явление неустойчивое. Она отличается интенсивным теплообменом, который в 15-20 раз выше, чем при плёночной конденсации. Это объясняется тем, что пар контактирует непосредственно с теплообменной поверхностью, и между паром и стенкой нет дополнительного термического сопротивления.
Ведутся активные работы по созданию условий для капельной конденсации с помощью лиофобизаторов (для воды — гидрофобизаторов). Их наносят на поверхность теплообмена, но так как они смываются конденсатом, их нанесение периодически необходимо возобновлять.
Коэффициенты теплоотдачи при капельной конденсации имеют очень высокие значения.
При капельной конденсации пара на поверхности пучка горизонтальных труб скатывание капель с трубы на трубу приводит к небольшому снижению интенсивности теплоотдачи на уровне 10-12%.