3.8.7. Теплообмен при плёночном режиме кипения

При плёночном режиме кипения жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой, причём температура стенки t_c значительно превышает температуру насыщения t_н. Поэтому наряду с конвективным теплообменом между поверхностью и паровой плёнкой при высоких температурах значительная часть в переносе теплоты принадлежит излучению.

Интенсивность конвективного теплообмена при плёночном кипении определяется термическим сопротивлением паровой плёнки. Характер движения пара в плёнке и её толщина зависит от размеров и формы поверхности нагрева и её расположения в поле тяжести, а также характера движения жидкости. Так при плёночном кипении на поверхности горизонтальных труб в условиях свободного движения (в большом объёме) пар движется вдоль периметра трубы к верхней образующей и по мере накопления периодически удаляется в форме отрывающихся пузырей (рис. 3.20). Паровая плёнка имеет толщину, измеряемую долями миллиметров, а движение пара в ней носит ламинарный характер. Средние коэффициенты теплоотдачи составляют примерно 100-300 Вт/м² гр.

Расчёт теплоотдачи при плёночном кипении на горизонтальных трубах в большом объёме следует производить по формуле:

, (3.71)

где - теплота фазового перехода, учитывающая перегрев пара в плёнке; D – диаметр трубы.

Физические свойства пара следует выбирать по средней температуре пара:

t_c = 0,5 (t_c + t_н)

При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин, течение пара обычно имеет турбулентный характер (рис.3.19). Поверхность пленки испытывает волновое колебание, толщина плёнки растет в направлении движении пара. Опыты показывают, что теплоотдача практически не зависит от высоты поверхности нагрева, и следовательно, от расхода пара в пленке. Расчёт теплоотдачи в этом случае производится по формуле:

(3.72)

Физические свойства пара в этой формуле следует выбирать по средней температуре пара.

Рис. 3.19. Формирование паровой пленки на горизонтальной трубе

Рис. 3.20. Формирование паровой пленки на вертикальной трубе

3.9. Теплообмен при конденсации пара

3.9.1. Характеристика процесса конденсации

Если пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, то пар конденсируется и конденсат оседает на стенке. Следовательно, условием конденсации является:

t_ст < t_н

При этом различают два вида конденсации: капельную (когда конденсат осаждается в виде отдельных капелек) и пленочную (когда на поверхности образуется сплошная пленка жидкости).

Капельная конденсация возможна лишь в случае не смачиваемой поверхности охлаждения. Искусственно капельная конденсация может быть получена путем нанесения на твердую поверхность тонкого слоя масла, керосина или жирных кислот, или путем примеси этих веществ к пару. При этом поверхность должна быть отполирована.

При конденсации чистого пара смачивающей жидкости на чистой поверхности всегда получается сплошная пленка.

В промышленных аппаратах – конденсаторах возможны случаи смешанной конденсации, когда в одной части аппарата капельная, а в другой пленочная конденсация.

При превращении каждого килограмма насыщенного пара в жидкость нужно отнять тепло в количестве r, Кдж/кг, поэтому для организации стационарного процесса конденсации пара тепло необходимо непрерывно отводить от поверхности охлаждения.

При конденсации происходит изменение агрегатного состояния вещества. Это усложняет расчет процесса конденсации.

Тепловой поток при конденсации определяется по формуле Ньютона – Рихмана:

.

Так как в технике в основном имеет место пленочная конденсация, рассмотрим ее закономерности.

Пленка конденсата, являясь термическим сопротивлением на пути переноса теплоты, по мере движения по поверхности утолщается. В связи с этим изменяется и коэффициент теплоотдачи (рис.3.21).

Течение пленки конденсата вначале является ламинарным, а затем турбулентным.

При ламинарном движении жидкостной пленки перенос теплоты через нее осуществляется путем теплопроводности. Если принять, что температура частиц конденсата, соприкасающихся с паром, равна температуре насыщения, то плотность теплового потока определяется выражением:

.

С другой стороны, согласно формуле Ньютона – Рихмана:

.

Сопоставляя эти выражения, получим:

.

Следовательно, определение α сводится к определению толщины пленки конденсата δ, которая может быть получена из анализа условий его течения. Такой анализ для случаев конденсации пара на вертикальной поверхности и горизонтальной трубе был впервые проведен Нуссельтом.

Рис. 3.21. Формирование потока конденсата на вертикальной плите

Так как толщина пленки при течении жидкости по вертикальной стенке изменяется, то различают локальные значения α и средние значения на поверхности. Практическое значение имеют средние значения α.

Расчетные значения коэффициента теплоотдачи, полученные Нуссельтом, отличаются от экспериментальных величин. Как выяснилось, причиной этого отличия явилось то, что течение конденсата по вертикальной поверхности носит (приобретает) волновой характер. Петр Капица показал, что такой характер стекания ламинарной пленки жидкости является более устойчивым (очертание поверхности пленки имеет вид синусоиды, которая перемещается в направлении течения жидкости). При значениях Re менее 4 волновой режим отсутствует.