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. 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:

,

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)

Рис. 3.

При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин, течение пара обычно имеет турбулентный характер. 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:

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

Рис. 3.

3.13. Теплоотдача при конденсации пара

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.

Течение пленки конденсата вначале является ламинарным, а затем турбулентным.

Рис. 3.

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.

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.

Основные уравнения подобия и расчетные формулы

В результате обработки многочисленных опытных данных получено следующее уравнение подобия для расчета теплоотдачи при конденсации пара:

,

где , (число подобия Кутателадзе), r – скрытая теплота парообразования, с_р- теплоемкость.

Определяющей температурой является средняя температура конденсата:

.

Значение r выбирается из таблиц теплофизических свойств пара по значению t_н.

Коэффициенты С и n в уравнении подобия теплоотдачи удобно выбирать из таблицы:

Тип поверхности	С	n
Вертикальные плиты и трубы	1.15	0.25
Горизонтальные трубы	0.728	0.25

Если в уравнении подобия раскрыть содержание чисел подобия, то можно получить формулы в виде:

для вертикальных труб и плит

;

для горизонтальных труб

,

где А= , Н- высота плиты (трубы), d_н- наружный диаметр трубы.

Физические параметры пленки конденсата выбираются по средней температуре конденсата.

Влияние на теплоотдачу при конденсации различных факторов

Влияние скорости движения пара. Если скорость пара относительно поверхности больше 10 м/c, то она может влиять на теплоотдачу. Если пар движется вниз, то он ускоряет движение плёнки конденсата, она становиться тоньше и увеличивается. Если пар движется вверх, то он замедляет движение плёнки конденсата, она становится толще и уменьшается.

Влияние состояния поверхности. Если поверхность шероховатая или покрыта слоем окисла, то вследствие дополнительного сопротивления течению толщина пленки конденсата увеличивается и уменьшается. Следует учесть значительное влияние толщины окисной плёнки на поверхности теплообмена.

Влияние перегрева пара. Если температура стенки ниже t_н , то процесс конденсации перегретого пара протекает так же, как и насыщенного. Перегретый пар лишь у стенки становится насыщенным, оставаясь перегретым в объеме.

При конденсации перегретого рапа необходимо учитывать теплоту перегрева пара

,

где i_п – энтальпия перегретого пара, i_н – энтальпия насыщенного пара.

При расчетах коэффициента теплоотдачи в расчетную формулу вместо теплоты парообразования r подставлять значение величины с учетом перегрева пара:

.

Температурный напор, как и прежде, определяется по формуле:

.

Так как , то при конденсации перегретого пара теплоотдача несколько выше, чем при конденсации насыщенного пара. Эта разница составляет около 3 % и в практических расчетах часто не учитывается.

Влияние содержания в паре неконденсирующихся газов. При наличии в паре неконденсирующихся газов они скапливаются у стенки и оказывают препятствие продвижению пара к ней. Через слой газа молекулы пара проникают лишь диффузией. При содержании в паре 1% воздуха коэффициент теплоотдачи снижается на 60%.

При работе промышленных конденсаторов воздух непрерывно отсасывается, хотя здесь вследствие хорошего перемешивания наличие воздуха сказывается меньше.

Влияние компоновки поверхности конденсации. Теплоотдача на горизонтальных трубах интенсивней, чем на вертикальных, так как в первом случае толщина пленки конденсата меньше. Однако это справедливо лишь для одиночной трубы. В многорядных пучках конденсат с верхних рядов стекает на нижние трубы, поэтому здесь пленка получается толстой. Чтобы избежать этого, применяют схему Жинабао, в которой оси труб повернуты на некоторый угол относительно вертикали.

Расчетом получают α только для труб верхнего ряда. Коэффициент теплоотдачи для труб нижних рядов получают расчетом по формуле:

,

где ε_р находится из таблицы, как функцию типа пучка (шахматный, коридорный, Жинабао) и номера ряда.

В больших конденсаторах применяют промежуточный отвод конденсата.

Для вертикальных труб α книзу уменьшается вследствие утолщения пленки. В этом случае среднее значение можно увеличить путем установки по высоте трубы конденсатоотводных колпачков. Установка таких колпачков через каждые 100 мм на трубе длиной 3м увеличивает в 2-3 раза.

Еще большее увеличение получается при подаче пара в виде тонких струек, движущихся с большой скоростью. При ударе таких струй о стенку происходит разрушение пленки и разбрызгивание конденсата. По опытным данным термическое сопротивление теплоотдачи при этом уменьшается в 3-10 раз.

Следует отметить высокий уровень теплоотдачи при конденсации. Значение достигает величины 10000 и более.

При проектировании конденсаторов большое внимание уделяют профилактическим мерам против снижения интенсивности теплоотдачи от наличия газа в жидкости; неправильного отвода конденсата; отложений на поверхностях конденсации солей, масел и других компонентов. Именно эти обстоятельства могут оказаться причиной неудовлетворительной работы конденсатора.