4.2 Выводы.
Конденсация пара – это процесс перехода пара в жидкое состояние или твёрдое. Конденсация пара встречается очень часто как в обыденной жизни ( дождь, снег), так и в технических процессах (в конденсаторах паровых турбин). Конденсация может осуществляться как в объёме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена. В первом случае конденсация может происходить как самопроизвольно, при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения, так и искусственно, путём введения охлажденных частиц. Во втором же случае конденсат образуется на поверхности теплообмена в виде плёнки, но в ряде случаев в виде отдельных капель. Поэтому различают плёночную и капельную конденсации пара. В этой работе будет рассмотрена плёночная конденсация пара.
Процесс парообразования идёт при увеличении температуры жидкости, обратный ему – конденсации, с охлаждением пара. Поэтому степень охлаждения пара относительно температуры насыщения имеет очень важную, если не решающую роль в этом процессе. Также конденсация пара характеризуется смачиванием поверхности. Так плёночная конденсация происходит на смачиваемой поверхности, а капельная – на несмачиваемой. Вообще же, эффект смачивания и сам процесс конденсации связан с действием сил поверхностного натяжения, действующих на молекулу конденсата. Действие этих сил различно на границе раздела паровой и жидкой фаз, в толще плёнки и на границе раздела жидкой фазы и твёрдой поверхности стенки. Рассмотрим случай, когда на стенке трубы образовалась капля, которая граничит ещё и с паровой фазой. Здесь действуют 3 силы поверхностного натяжения: между стенкой и жидкостью, стенкой и газом, жидкостью и газом. Если сила поверхностного натяжения между стенкой и газом оказывается больше, чем между жидкостью и стенкой, то угол смачивания меньше 90 градусов и происходит плёночная, конденсация пара. В обратном случае происходит процесс капельной конденсации. Однако на практике чаще встречаются промежуточные случаи частичного смачивания или частичного несмачивания поверхности.
При конденсации пара выделяется большое количество тепла, и прежде всего это тепло фазового перехода, однако передаче тепла пара к стенке препятствует слой конденсата или плёнка и граничный с жидкостью слой пара, толщина которого принимается равной длине свободного пробега молекул пара. Поэтому температура от пара к стенке трубы сначала скачком падает, а затем постепенно снижается в слое жидкости.
На интенсивность теплообмена данного процесса влияют многие факторы. При увеличении давления пара расстояние между молекулами уменьшается, это приводит к увеличению числа соударений их и как следствие к росту температуры пара. Чем больше давление, тем выше температура пара и температура его насыщения. Для конденсации пара на стенке трубы необходим температурный напор или разность температур между стенкой и температурой насыщения пара. Поэтому, чем выше давление и как следствие температура пара, тем меньше будет число молекул пара переходить в жидкое состояние, тоньше плёнка конденсата и ниже термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, а значит интенсивность теплообмена возрастает. Это подтверждают полученные зависимости.
Рисунок 4.1 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м
Рисунок 4.2 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м
Рисунок 4.3 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм
Рисунок 4.4 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм
При увеличении давления до некоторого значения (приблизительно 0,5 МПа) происходит уплотнение пара, а значит большее количество молекул пара захватываются плёнкой, плёнка утолщается, растёт термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, поэтому снижается интенсивность теплообмена. Положение трубы в пространстве не меняет характер изменения интенсивности теплообмена от давления. Однако для вертикальной трубы большей длины коэффициент теплоотдачи ниже, потому что больше боковая поверхность трубы (в данном случае в 2 раза по сравнению с первой трубой), значит больше молекул пара будут захвачены плёнкой конденсата.
Увеличение температурного напора ведёт к интенсификации конденсации из-за переохлаждения пара относительно температуры насыщения, утолщению плёнки, и как следствие – к уменьшению интенсивности теплообмена. Причём коэффициент теплоотдачи сильно снижается при увеличении температурного напора до определённого значения ( 12 градусов), дальнейшее снижение температуры стенки будет не так значительно влиять на коэффициент теплоотдачи.
Рисунок 4.5 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.6 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.7 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.8 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.9 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.10 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.11 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.12 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.13 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,6 МПа.
Рисунок 4.14 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.15 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.16 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.17 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.18 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.19 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.20 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 6,0 МПа
Чем меньше влаги в паре, тем меньше молекул конденсируется на стенке, тем тоньше плёнка конденсата и меньше термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, а значит и больше интенсивность теплообмена. Поэтому рост степени сухости ведёт к увеличению коэффициента теплоотдачи. Увеличение диаметра горизонтальной трубы ведёт к увеличению её боковой поверхности, а значит большее число молекул пара может сконденсироваться на стенке трубы, следовательно снижается коэффициент теплоотдачи.
Перегрев пара приводит к тому, что разность температур насыщения пара и стенки увеличивается , и меньшее число молекул сконденсирует на стенке. Увеличивая степень перегрева пара, улучшается теплообмен между стенкой и паром.
Рисунок 4.21 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.22 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.23 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.24 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.25 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.26 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.27 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.28 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 6,0 МПа
Полученные зависимости ещё раз доказывают, что увеличение температурного напора между стенкой и паром ведёт к интенсификации конденсации пара, и как следствие снижению интенсивности теплообмена между паром и стенкой. Однако это влияние при давлениях, больших 6 бар, оказывается незначительным, так как температура насыщения пара достигает температур свыше 200 градусов Цельсия и температурный напор даже в 12 градусов не оказывает большого влияния на интенсивность теплообмена.
Рисунок 4.29 - Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.30 - Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.31 - Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.32 - Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 6,0 МПа
Плёнка образующегося на стенке трубы конденсата совершает волновое движение, которое происходит из-за воздействия на поверхность плёнки различных случайных возмущений. Частицы жидкости поверхностного слоя получают смещение, а силы поверхностного натяжения восстанавливают равновесие, так и происходит волновое движение плёнки. Оно может совершаться при увеличении скорости пара или давления. Волновое движение плёнки приводит к тому, что в одном месте плёнка будет иметь толщину меньше своего среднего значения, а в другом месте – большую, среднее же значение толщины по всей длине будет меньше чем толщина при отсутствии волны. А значит термическое сопротивление плёнки становится меньше. Это приводит к увеличению интенсивности теплообмена. Из графиков видно, что увеличение давления ведёт к росту волнового движения. Это можно объяснить ростом хаотического движения паровых молекул, которые могут не только попадать в плёнку, но и отражаться от неё, вызывая тем самым возмущения.
Рисунок 4.33 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.34 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.35 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.36 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.37 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.38 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 0,6 МПа.
Рисунок 4.39 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.40 - Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 6,0 МПа.
Попутное движение пара относительно плёнки конденсата приводит к сносу плёнки, а при высоких скоростях пара и срыву с поверхности трубы, что приводит к уменьшению толщины плёнки и значительному увеличению коэффициента теплоотдачи в 5-8 раз.
Рисунок 4.41 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,006 МПа.
Рисунок 4.42 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,06 МПа.
Рисунок 4.43 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.44 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.45 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.46 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.47 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.48 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.49 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.50 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.51 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.52 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.53 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.54 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.55 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.56 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 6,0 МПа
Наличие воздуха в паре значительно влияет на процесс теплообмена. Воздух при движении в паре образует воздушную плёнку на стенке, так поверхность трубы не смачивается, воздух обладает большим термическим сопротивлением, поэтому интенсивность теплообмена сильно снижается с увеличение содержания воздуха в паре. Так при 6 процентах содержания воздуха в паре теплообмен нарушается, коэффициент теплоотдачи стремится к нулю при увеличении давления.
Рисунок 4.57 - Влияние шахматного порядка расположения труб диаметра 18 мм в пучке на интенсивность теплообмена
Рисунок 4.58 - Влияние коридорного порядка расположения труб диаметра 18 мм в пучке на интенсивность теплообмена
Рисунок 4.59 - Влияние шахматного порядка расположения труб диаметра 22 мм в пучке на интенсивность теплообмена
Рисунок 4.60 - Влияние коридорного порядка расположения труб диаметра 22 мм в пучке на интенсивность теплообмена
Рисунок 4.61 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.62 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.63 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.64 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.65 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 0,006 МПа
Рисунок 4.66 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 0,06 МПа
Рисунок 4.67 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 0,6 МПа
Рисунок 4.68 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 6,0 МПа
Рисунок 4.69 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 2м
Рисунок 4.70 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 4 м
Рисунок 4.71 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 2 м.
Рисунок 4.72 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 4 м
Рисунок 4.73 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 2 м
Рисунок 4.74 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 4 м
Рисунок 4.75 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 2 м
Рисунок 4.76 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 4 м
По графикам можно сказать, что интенсивность теплообмена при шахматной компоновке труб больше, чем при коридорной, так как при движении потока пара между труб происходит значительная турбулизация потока и как следствие уменьшение толщины плёнки в результате её сноса и срыва. Однако пар при движении через шахматное расположение обтекает теплообменные поверхности труб лучше, чем при коридорном, поэтому большее количество пара конденсируется на поверхности труб. Увеличение длины труб в 2 раза приводит к увеличению количества сконденсированного пара в 2 раза, так как увеличивается поверхность конденсации.
Заключение
Тепломассообмен является в большей степени прикладной наукой, которая основывается на экспериментальных данных. Многие процессы нельзя описать формулой, поэтому приходится искать зависимости, вводить критерии, чтобы описать их. Такие процессы как конденсация пара, кипение жидкости являются обыденными, однако именно они чаще всего происходят в технических усройствах, машинах, котельных установках, но до сих пор окончательно не изучены. Знание и умение рассчитывать эти процессы позволяет обеспечивать целые города теплом и электрической энергией. Поэтому приобретение навыков практических расчетов и углубление знаний по этим процессам необходимы будущим специалистам в области теплоэнергетики.
Библиографический список
Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 1981. 418 с.
Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 80с.
Овсянников В.В., Кузнецов В.Н. Теоретические основы теплотехники ч.2 Тепломассообмен: Методические указания к курсовому проектированию по специальности 1007 – «Промышленная теплоэнергетика». Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2002. 37 с.