2.2.7. Теплоотдача при кипении и конденсации

Процесс конвективного теплообмена при кипении или конденсации проте-кает одновременно с фазовым переходом жидкости в пар или наоборот. В этом случае имеет место более сложный процесс переноса теплоты, чем при конвек-тивном теплообмене однофазной жидкости.

Теплоотдача при конденсации. Конденсация – это процесс перехода пара (газа) в жидкое или твердое состояние (фазовый переход первого рода). Конден-сация пара часто встречается на практике. В конденсаторах паровых турбин пар конденсируется на охлаждаемых трубах; конденсация пара осуществляется в опреснительных установках и различных теплообменных аппаратах. Выделение при конденсации скрытой теплоты парообразования и отвод ее охлаждающей жидкостью неразрывно связывают этот процесс с теплообменом.

Во многих областях техники и промышленности имеет место конденсация пара на охлаждаемых поверхностях теплообмена. Различают два вида конден-сации: капельную, когда конденсат осаждается в виде отдельных капель, и пленочную, когда на поверхности образуется сплошная пленка жидкости. Освобождающаяся при конденсации скрытая теплота парообразования пере-дается холодной поверхности. При пленочной конденсации пар отделен от стенки тонким слоем конденсата, который создает значительное термическое сопротив-ление тепловому потоку. При капельной конденсации возможен непосредст-венный контакт пара со стенкой и поэтому теплообмен протекает во много раз интенсивнее, чем при пленочной конденсации. Пленочная конденсация встре-чается чаще. На рис. 2.9 показана картина пленочной конденсации на верти-кальной поверхности (а) и изменение температуры и локального коэффициента теплоотдачи (б). Под действием силы тяжести образующаяся в процессе конденсации жидкость стекает вдоль поверхности вниз, образуя пленку толщи-ной δ. По мере стекания вдоль оси х количество конденсата увеличивается, соответственно возрастает толщина пленки δ и средняя скорость течения конденсата w_ср. При значениях числа Рейнольдса Re = w_срδ/ν, превышающих Re_кр= 400, ламинарное течение переходит в турбулентное.

При ламинарном течении пленки конденсата теплота передается тепло-проводностью, распределение температур по толщине пленки конденсата имеет линейный характер, а плотность теплового потока q на границе раздела двух фаз определяется выражениями

q = (λ / δ)( t_п– t_с), или q = α ( t_п– t_с), (2.56)

г де t_п, t_с - соответственно температуры пара и стенки; α - локальный коэф-фициент теплоотдачи от пара к стенке; δ - толщина пленки конденсата; λ – коэффициент теплопроводности конденсата, причем α = λ / δ.

Аналитическое решение для рас-чета локального коэффициента теплоот-дачи при ламинарном течении пленки , полученное В. Нуссельтом, имеет вид

α ={rρgλ³/[4υx(t_н-t_c)]}^0,25, (2.57)

где r, ρ, λ,ν - теплофизические параметры Рис. 2.9. Пленочная конденсация

конденсата: теплота парообразования, плотность, коэффициенты теплопроводно-сти и кинематической вязкости.

Из формулы (2.57) видно, что коэффициент теплоотдачи α, характери-зующий интенсивность теплоотдачи, убывает по мере стекания конденсата из-за возрастания толщины его пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи α_ср от поверхности высотой Н с учетом волнового течения пленки конденсата определяется соотношением

α_ср = {rρgλ³/ [4υН(t_н- t_c)]}^0,25. (2.58)

Вдоль наклонной поверхности под углом φ к вертикали конденсат стекает медленнее, пленка его получается толще, коэффициент теплоотдачи α = λ / δ меньше, чем в случае вертикальной стенки.

Для случая конденсации на горизонтальной трубе угол φ - переменная величина. Расчет среднего по периметру горизонтальной трубы коэффициента α ведется по формуле:

α_ср =0,728{rρgλ³/ [4υD(t_н- t_c)]}^0,25. (2.59)

где D – диаметр трубы.

Процессы теплообмена при конденсации зависят от многих возможных ситуаций, при которых она происходит. Коэффициент теплоотдачи зависит от формы поверхности и взаимного расположения ее элементов. Так, коэффициент теплоотдачи при конденсации пара около горизонтальной трубы больше, чем у вертикальной. В промышленных теплообменниках конденсация обычно проис-ходит на поверхности пучков труб. Конденсат под действием силы тяжести сте-кает с верхних рядов на нижние, пленка конденсата становится все толще, а коэ-ффициент теплоотдачи уменьшается. В результате температура конденсата в нижних рядах труб становится ниже, чем в верхних. Резко снижает теплоотдачу присутствие в парах воздуха и других неконденсирующихся газов, которые образуют около стенки прослойку, плохо проводящую теплоту и препятству-ющую соприкосновению пара с поверхностью. Так, 2 % содержания воздуха в паре приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи почти в 3 раза.

Теплоотдача при кипении. Кипением называется процесс интенсивного парообразования, протекающего в объеме жидкости, находящейся при темпера-туре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыще-ния, с образованием паровых пузырей. Процессы кипения имеют большое практическое значение в ряде областей современной техники. Кипение связано с подводом теплоты к кипящей жидкости. В процессе фазового превращения жидкости в пар поглощается скрытая теплота парообразования. Уравнение теплового баланса при кипении имеет вид

Q = r G, (2.60)

где Q – тепловой поток, Вт; r – теплота фазового перехода (скрытая теплота парообразования), Дж/кг; G – количество пара, образующегося в единицу времени, кг/с.

В современной технике обычно имеет место поверхностное кипение на поверхностях труб, стенках каналов и т. п. Механизм теплообмена при кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пу-зырями из пограничного слоя у поверхности нагрева в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи.

Для возникновения кипения необходимо выполнение двух условий: нали-чие перегрева жидкости у стенки, имеющей температуру t_c, относительно температуры насыщения t_н, и наличие центров парообразования. Перегрев жидкости Δ t = t_c– t_ж имеет максимальную величину непосредственно на поверхности теплообмена, на ней же находятся центры парообразования в виде отдельных микронеоднородностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок, окис-ных пленок и т. д. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Р азличают два основных режима кипения: пузырьковый и пленочный. Ки-пение, при котором пар образуется в виде отдельных периодически зарождаю-щихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей, называется пузырьковым. С увеличением теплового потока до некоторой величины отдельные поверхности теплообмена покрывает сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объем жидкости. Режим кипения, который характеризуется наличием на поверхности пленки пара, отделяющей поверхность от жидкости, называется пленочным.

На рис. 2.10 изображены типичные зависи-мости плотности теплового потока q (тепловой нагрузки) и коэффициента теплоотдачи α от тем-пературного напора, или «перегрегрева жидко-сти» над температурой насыщения Δ t = t_c– t_н, при кипении в большом объеме. Эти зависимости называются кривыми кипения. При кипении воды при атмосферном давлении при значениях Δt < 5^оС количество отделяющихся от поверхности на-грева пузырьков пара невелико и в этих условиях

интенсивность теплообмена определяется свобод- Рис. 2.10. Кривые кипения

ным движением жидкости (конвекцией). Такой режим кипения называется конвективным (зона А на рис. 2.10). Дальнейшее увеличение температурного напора Δt сопровождается ростом числа пузырьков пара. Их движение после отрыва от поверхности нагрева вызывает интенсивное перемешивание жидкости. Наступает режим развитого пузырькового кипения, при котором тепловая нагрузка, отводимая в объем жидкости от поверхности нагрева, резко возрастает (зона В).

При некоторой величине Δt отдельные пузырьки пара начинают соеди-няться и образуют паровую пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности нагрева, а затем полностью отделяет жидкость от стенки. Пленка периодически разрушается и уходит от поверхности нагрева в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся пленки образуется новая. Такое кипе-ние называют пленочным. В этих условиях теплота передается от поверхности нагрева к жидкости теплопроводностью, конвекцией и излучением, испарение происходит с верхней поверхности паровой пленки. Так как теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, то появление паровой пленки приводит к резкому уменьшению интенсивности теплообмена (зона С).

При больших перегревах стенки (зона D) тепловая нагрузка q увеличи-вается пропорционально Δt, а коэффициент теплоотдачи остается практически постоянным.

В области перехода пузырькового режима кипения в пленочный плотность теплового потока q и коэффициент теплоотдачи α принимают максимальные значения, называемые критическими. Они зависят от вида жидкости и от давления. Для воды при атмосферном давлении Δt_кр= 23…27 ^оС, q_кр= 1,16 10⁶Вт/м², α_кр=4,65 10⁴Вт/(м²К). При переходе через критическую точку К резко возрастает температура стенки, что может привести к ее «пережогу». Формулы для расчета теплоотдачи при различных режимах кипения приводятся в специальной литературе [, ]. Так, для воды коэффициент теплоотдачи при пу-зырьковом режиме кипения определяется по эмпирическому соотношению

α = 3,4 р_н^0,18 q^0,67/ (1 – 0,045p_н),

где q – тепловая нагрузка, Вт/м²; p_н – давление насыщения жидкости (изме-ряемое в мегапаскалях).

Отвод теплоты от поверхности нагрева при пузырьковом и пленочном режимах кпения, особенно при пузырьковом, является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей и ряде других технических устройств.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процес-сы генерации пара на современных тепловых электрических станциях осуще-ствляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб при высо-ком давлении. Теплота к поверхности труб подводится от высокотемпературных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена.

Процесс кипения может происходить также при течении в трубе недо-гретой до температуры насыщения жидкости, если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока. Такой процесс возникает, когда температура стенки t_c превышает температуру насыщения t_н; он охватывает пограничный слой жидкости у стенки. Паровые пузырьки, зародившиеся на стенке, попадая в холодное ядро потока, быстро конденсируются. Этот вид кипения называют кипением с недогревом. В процессе кипения жидкости при вынужденном движении, имеющего место в трубах, между пластинами в пучках труб и стержней, а также в каналах произвольного сечения, образуется двух-фазный поток. При этом интенсивность теплообмена определяется соотноше-нием режимов кипения и конвекции.

В заключение раздела по конвективному теплообмену, чтобы не допускать грубых ошибок, приведем данные по диапазонам изменения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи в различных условиях.

Коэффициенты теплоотдачи α, Вт / (м² К)

Свободная конвекция в газах