2.3.3 Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя

При вынужденном (принудительном) движении теплоносителя (жидкость или газ) коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, имеющего общий вид:

Nu = f (Re, Gr, Pr). (2.5)

Для расчета выбирается критериальное уравнение в зависимости от режима движения теплоносителя в аппарате.

Для теплоносителя внутри прямых вертикальных труб при ламинарном режиме (Re<2300):

Nu = 0,7 (Re Pr)^0,2 (Gr Pr)^0,1; (2.6)

при переходном режиме (2300<Re< 10000):

Nu = 0,008 Re^0,9 Pr^0,43; (2.7)

при турбулентном режиме (Re> 1 0000):

Nu = 0,023 Re^0,8 Pr^0,4. (2.8)

Критерий Рейнольдса Re характеризует режим движения теплоносителя:

, (2.9)

где – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

– определяющий размер аппарата, м.

Критерий Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена:

, (2.10)

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² ·К).

По приведенным формулам подсчитывают значение критериев, а затем по выбранному в зависимости от режима движения критериальному уравнению определяют критерий Нуссельта Nu. По найденному критерию Нуссельта рассчитывают коэффициент теплоотдачи.

2.3.4 Теплоотдача при конденсации пара

В химической промышленности очень широко применяются процессы, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния веществ: испарение, конденсация, плавление или кристаллизация. Теплообмен в этих процессах имеет ряд особенностей:

1) тепло распространяется при постоянной температуре (температура фазового превращения, т.е. температура кипения или конденсации);

2) тепло одновременно распространяется в двух фазах.

Если в качестве горячего теплоносителя используется сухой насыщенный пар, то при соприкосновении его с поверхностью нагрева за счет отдачи тепла происходит конденсация пара.

а б

Рисунок 2.1 – Схема конденсации пара

Конденсация бывает капельная и пленочная. При капельной конденсации (рисунок 2.1а) образующийся конденсат осаждается на несмачиваемой поверхности в виде отдельных капель. При пленочной конденсации (рисунок 2.1б) конденсат образует на поверхности нагрева сплошную пленку. В этом случае интенсивность теплоотдачи ниже, чем при капельной конденсации, так как передача тепла от пара к поверхности нагрева происходит через сплошную пленку конденсата, которая оказывает большое термическое сопротивление, поэтому толщина пленки существенно влияет на теплоотдачу.

Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации определяется из критериального уравнения:

Nu = с (Pr·Ga·Ku)^0,25, (2.11)

где Ga – критерий Галлилея;

Кu – критерий Кутателадзе.

Из этого уравнения можно найти коэффициент теплоотдачи при конденсации пара:

, (2.12)

где А – коэффициент, зависящий от расположения поверхности нагрева; для вертикальных аппаратов А=1,15, для горизонтальных А=0,72;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

– плотность пленки конденсата, кг/м³;

– коэффициент теплопроводности пленки конденсата, Вт/(м·К);

– коэффициент кинематической вязкости пленки конденсата, м²/с;

– перепад температур на пленке конденсата, К;

H – высота стенки, на которой происходит конденсация, м; для вертикальных аппаратов H = l, для горизонтальных H=d.

Перепад температур на пленке конденсата равен разности температур пара и стенки со стороны пара:

. (2.13)

Все параметры пленки конденсата зависят от ее средней температуры, которая определяется как среднеарифметическая величина температуры пара и стенки.