6.2. Теплоотдача при пузырьковом кипении жидкости в большом объеме.

Коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в большом объеме не зависит от размеров и формы поверхности и уровня жидкости над ней.

Поэтому при расчете процесса кипения в качестве характерного размера принята величина l_к, пропорциональная отрывному диаметру парового пузырька d₀ и равная

.

В качестве определяющей скорости принимают скорость парообразования при кипении

.

При расчете коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении используют следующие критериальные уравнения (Лабунцов Д.А.)

,

где -

, , ;

• с и n, постоянные коэффициенты, равные при Re0,07 С=0,0625, n=0,5 и при Re>0,01 С=0,125, n=0,65.

Физические параметры жидкости определяют при температуре насыщения.

Возможно использовать и другое критериальное уравнение (Толубинский В.И.)

где - - критерий кипения, представляющий отношение скорости кипения к скорости роста пузырьков W=d₀f, которая может быть определена как указано выше.

Для воды могут быть использованы упрощенные уравнения

и

.

При вынужденном течении кипящей воды в трубах (парогенерирующие трубы) следует учитывать влияние коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене _конв и при кипении _кип, которые определяются по известным уравнениям для вынужденного течения жидкости внутри трубы и уравнениям для пузырькового кипения в большом объеме.

Суммарный коэффициент теплоотдачи _сум определяется следующим образом:

• при _сум=_конв;

• при _сум=_кип;

• при .

6.3. Теплообмен при конденсации пара.

Конденсацией называется процесс перехода паров вещества (газа) в жидкое или твердое состояние сопровождающийся выделением теплоты парообразования. Условием конденсации является поддержание температуры поверхности конденсации ниже температуры насыщения и непрерывный отвод выделившейся теплоты парообразования.

Переход пара в твердое состояние называется десублимацией (обратный переход - сублимация, возгонка) и в технической практике встречается резко.

Различают конденсацию в объеме парогазовой смеси или на твердой поверхности. Наиболее часто встречается конденсация на твердой поверхности, с которой пар (газ) находится в контакте, температура которой ниже температуры насыщения пара и от которой непрерывно отводится выделившаяся теплота парообразования.

Конденсация на твердой поверхности бывает пленочная и капельная.

Пленочная конденсация имеет место при условии если жидкость смачивает поверхность конденсации (краевой угол смачивания <90) на поверхности конденсации образуется сплошная пленка образующегося конденсата.

При пленочной конденсации пленка на поверхности стекает под действием сил тяжести и образует основное термическое сопротивление теплоотдачи при конденсации. Однако, коэффициент  даже при пленочной конденсации достигает больших величин (71010³).

Капельная конденсация происходит на поверхности не смачиваемой жидкостью (>90), в результате чего жидкость при конденсации образуется в виде отдельны капель, которые скатываются по чистой поверхности конденсации турбулизируя пристенный слой пара. В результате существенно улучшаются условия теплообмена при конденсации и коэффициент  при капельной конденсации в 5-10 раз выше чем при пленочной (41010⁴).

В технической практике при конденсации большинство образующихся жидкостей хорошо смачивает металлические поверхности охлаждения промышленных теплообменных аппаратов и пленочная конденсация наиболее распространена.

Теплоотдача на вертикальной стенке при пленочной конденсации и ламинарном течении пленки и неподвижном паре определяется из условия, что величина теплового потока от пара к стенке определяется теплопроводностью через слой стекающей пленки (Рис. 23).

Тогда локальный коэффициент теплоотдачи _х на расстоянии х от начала стенки будет равен из уравнения Ньютона-Рихмана

,

откуда

для потока пленки шириной 1м.

Толщина пленки конденсата _х определяется из дифференциального уравнения составленного для бесконечно малого участка пленки dх.

Масса конденсата G_х протекающего через поперечное сечение пленки толщиной _х и шириной 1 м равна

,

где - средняя скорость течения жидкости в пленке в сечении Х

Тогда

.

Приращение расхода конденсата в сечении х+dх равно

.

С другой стороны увеличение расхода конденсата определяется массой дополнительно сконденсированного пара на площадке шириной dх и длиной 1 м

,

где r - теплота парообразования при температуре t_н.

Приравнивая эти приращения получим

Интегрируя это уравнение и приравняв к 0 постоянную интегрирования, т.к. при х=0 _х=0, получим текущую толщину пленки

а из нее величину коэффициента теплоотдачи при конденсации

.

Величина _х переменная по высоте стенки х, а среднее значение получим интегрируя _х от х=0 до х=l

.

Академик П.Л. Калица установил, что при Rе> ламинарное течение пленки приобретает волновой характер, вследствие чего толщина пленки уменьшается, а увеличивается  на 21%. Поэтому для практических расчетов при конденсации пара на вертикальной стенке при Rе> коэффициент равен

.

Величина - число Rе для стекающей пленки при котором начинается волнообразование. Для воды =8-12.

Данные уравнения применяют для расчета пленочной конденсации на вертикальных плоских стенках, вертикальных трубах и т.д.

В этих уравнениях физические параметры жидкости принимаются при t=0,5(t_н-t_cm), а величина r при t_н, l - высота стенки, м.

Для поверхности наклоненной к горизонту под углом , скорость стекания пленки уменьшается, а толщина ее увеличивается вследствие чего

Для наружной поверхности горизонтальной цилиндрической трубы, при стекании пленки величина  меняется. Интегрируя по периметру трубы можно получить значение среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на одиночной горизонтальной трубе

,

где d - наружный диаметр трубы, м.

Для многорядного пучка труб, учитывается увеличение толщины пленки на нижних рядах.

,

где - поправка на число рядов труб по вертикали - z.

При конденсации перегретого пара в уравнения вместо r используется r_n=r+q_nn.

Присутствие в паре неконденсирующихся газов сильно снижает величину , т.к. они накапливаются в объеме у поверхности теплообмена и затрудняют к ней доступ пара. Так 1% воздуха по объему снижает на 50-55%, 2% на 60-65%, 4% на 80-85%.