Теплообмін при конденсації пари

РеФЕРат на тему:

ТЕПЛООБМІН ПРИ КОНДЕНСАЦІЇ ПАРИ

Основні положення

Конденсація являє собою перехід з паро- або газоподібного стану в рідкий стан. Процес конденсації має місце в конденсаторах парових турбін, опріснювальних установках і теплообмінних апаратах. У процесі конденсації виділяється теплота фазового переходу. Процес конденсації можливий тільки при докритичних станах речовини й здійснюється шляхом охолодження або стиску.

Конденсація може відбуватися як в об'ємі пари, так і на охолоджуваній поверхні. У першому випадку, в об'ємі пари утворяться крапельки рідини, при значному переохолодженні пари щодо температури насичення. У техніці конденсація частіше всього відбувається на охолоджуваних поверхнях теплообміну. При цьому температура поверхні (стінки) повинна бути нижче температури насичення при даному тиску. Якщо на поверхні конденсату утвориться плівка рідини то конденсація називається плівковою. Якщо ж на поверхні теплообміну утворяться крапельки рідини, то така конденсація називається краплинною. Плівкова конденсація має місце, якщо конденсат змочує поверхню теплообміну. Якщо конденсат не змочує поверхню, то утвориться краплинна конденсація.

Змочуваність характеризується крайовим кутом, утвореним поверхнею рідини й поверхнею твердого тіла, що граничать із паром, мал. а).

Стан рівноваги краплі визначається рівнянням.

Якщо поверхневий натяг між газом і стінкою більше, ніж між твердим тілом і рідиною,, крайовий кут, рідина змочує тверду поверхню. При, крайовий кут, рідина не змочує поверхню.

Термічний опір передачі теплоти

При краплинній конденсації водяної пари тепловіддача може бути в багато разів більше, ніж при плівковій. Плівка конденсату є більшим термічним опором передачі теплоти фазового переходу. Між краплями, що утворилися, конденсату може бути й може не бути мікроплівка конденсату, тому її термічний опір менше, ніж для випадку плівкової конденсації.

Будемо думати, що поверхня конденсації плоска. Термічний опір передачі теплоти від пару до стінки можна представити де — термічний опір плівки конденсату;

— термічний опір на границі розділу фаз (міжфазний термічний опір). Поява цього опору обумовлено стрибком температури на границі розділу фаз.

Видима конденсація є результуючим ефектом сукупності молекул, що вдаряються об поверхні і захватуються нею, а також випар молекул, що відриваються за той же час із поверхні. У результаті в поверхневому шарі пару рухаються два нерівних потоки молекул, що мають різну температуру (енергію). Товщина шару — порядку середньої довжини вільного пробігу. Такий шар називається кнудсеновським. Температура в цьому шарі відрізняється від поверхні рідини. Перепад температур сприймається як стрибок. Чим більше молекул відбивається, тим більше стрибок. Це враховується коефіцієнтом конденсації,. (- відношення числа захоплюваних молекул, до загального числа падаючих).

При малому коефіцієнті конденсації стрибок може бути значним при низьких тисках, тоді порівнянне с. Стрибок збільшується і зі збільшенням. З ряду експериментальних досліджень треба, що при конденсації чистої пари з Па температурний стрибок на границі розділу фаз відсутній .

Режими плину плівки конденсату

Термічний опір плівки залежить від режиму плину. Поперек ламінарно-текучої плівки теплота переноситься теплопровідністю, через турбулентну — додатково і конвекцією. Режим плину плівки визначається по числу Рейнольдса де — середня швидкість плину плівки в розглянутому поперечному перерізі;

— товщина плівки в цьому ж перетині;

— кінематичний коефіцієнт в’язкості конденсату.

Для випадків конденсації найбільш імовірним значенням є. Як ламінарний, так і турбулентний плин плівки може супроводжуватися утворенням хвиль на вільній поверхні рідини. Під дією гравітаційних сил і випадкових обурень частинки рідини одержують зсув щодо рівноважного стану. Сили ж поверхневого натягу прагнуть повернути частинки в стан рівноваги. Однак по інерції вони проходять цю рівновагу й частинки рідини знову зазнають дії відбудовних сил. У результаті на поверхні виникають хвилі, а рух рідини називають хвильовим. Значення числа, при якому виникають хвилі визначається по рівнянню При хвильовому русі плівки під дією гравітаційних сил розрізняють товщину виступів, товщину западин і середню товщину плівки. У ламінарній області розрізняють чисто ламінарний плин, ламінарно-волновий перший, ламінарно-волновий другий. На поверхні великих хвиль з’являються дрібні.

При поздовжньому русі пару уздовж поточної плівки рідини пар може, як прискорювати, так і сповільнювати потік рідинної плівки. При цьому режимі її плину може істотно змінюватися, що дуже впливає на теплообмін.

Теплообмін при плівковій конденсації нерухомої пари

Ламінарний плин плівки по вертикальній поверхні

Розглянемо процес конденсації сухого насиченого пару на вертикальній стінці з постійною температурою. Використовуючи ряд допущень спрощують рівняння енергії та руху.

Інтегрування рівняння дає

;

Таким чином, якщо поперек плівки теплота переноситься тільки теплопровідністю то; - товщина плівки конденсату. Товщина плівки конденсату залежить від кількості (витрати) конденсату в даному перерізі.

Через переріз, що лежить нижче будь-якого довільного поперечного перерізу на величину протікає конденсату трохи більше. Приріст витрати відбувається за рахунок конденсації. Тоді, одержимо

.

Ліва частина рівняння — кількість конденсату, що протікає через поперечний переріз; права частина — приріст конденсату; - теплота паротворення. Рішення даного рівняння, шляхом інтегрування, відносно товщини плівки, дає результат У такому випадку місцевий коефіцієнт тепловіддачі визначиться з рівняння

Середній коефіцієнт тепловіддачі

де — теплофізичні константи конденсату;

— температурний напір;

— висота стінки;

— координата по висоті стінки.

Рівняння для вперше отримано Нуссельтом 1916р.

У міру збільшення координати по висоті (зверху в низ) товщина плівки наростає, а коефіцієнт тепловіддачі плавно зменшується. Облік змінності фізичних параметрів по висоті провадиться шляхом множення формул на виправлення

Індекси «c» — стінка; «н» — насичення.

Хвильовий характер руху враховується виправленням Д. А. Лабунцова При малих значеннях, і з, збільшується. Таким чином, для розрахунку середніх коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації нерухомого чистого пару на вертикальних поверхнях при ламінарному режимі плину використовується формула

— по формулі Нуссельта.

Рівняння Нуссельта в безрозмірному виді

;

— приведена висота вертикальної поверхні.

— висота стінки.

Формула справедлива при, відповідне значення .

Турбулентний плин плівки по вертикальній поверхні

У випадку, коли можуть мати місце режими, при яких у верхній частині труби утвориться ламінарний режим, а в нижній турбулентний режим. При цьому перпендикулярно поточній плівці теплота переноситься не тільки теплопровідністю, але й турбулентними пульсаціями. Режим плину плівки хвильовий, гребені хвиль опускаються нижче основи й у деяких місцях вектора швидкості можуть мати протилежний напрямок. Для турбулентного режиму плину розрахунок середніх коефіцієнтів тепловіддачі ведеться по формулі

Як визначальна температура приймається температура насичення,, а визначального розміру — висота.

Конденсація на горизонтальних трубах

Для похилих стінок коефіцієнт тепловіддачі визначається по формулі

Для горизонтального циліндра Нуссельт одержав наступну формулу для розрахунку середнього по зовнішній окружності труби коефіцієнта тепловіддачі для ламінарного плину плівки Формула від вертикальної стінки відрізняється коефіцієнтом 0,728 і визначальним розміром замість висоти — діаметр .

У безрозмірній формі рівняння має вигляд

;

де — радіус труби; - визначальна температура. Комплекси фізичних величин для водяного протабульовані залежно від температури насичення.

.

У зв’язку з тим, що інтенсивність теплообміну при конденсації визначається термічним опором плівки конденсату, важливе значення для одержання високих має правильне розташування труб у конденсаторі. Бажано шахове розташування. Для вертикальних труб, коефіцієнт тепловіддачі донизу зменшується, внаслідок стовщення плівки. У цьому випадку для збільшення, по висоті труби встановлюють конденсатовідводячі ковпачки. При горизонтальному розташуванні труб, проміжний відвід досягається за допомогою спеціальних похилих перегородок.

Помітно зменшують тепловіддачу наявність у парі газів, що не конденсуються, внаслідок того, що молекули газу біля стінки утворюють газовий шар, що перешкоджає доступу молекул пару до поверхні труби. До газів, що не конденсуються, відносять повітря, аміак, СО2 та ін. Для відсосу повітря з конденсатора встановлюються повітрявідсасуючі насоси.

Теплообмін при конденсації пари, що рухається усередині труб

Характеристика руху

При конденсації в трубах паровий об'єм обмежений стінками труби. На процес конденсації й теплообміну великий вплив робить взаємодія між паром й плівкою конденсату. Якщо напрямок руху пару й плівки збігається, то внаслідок тертя плин плівки ускорюється, товщина її зменшується й коефіцієнт тепловіддачі збільшується. Якщо напрямку руху протилежні, то плин плівки сповільнюється, і коефіцієнт тепловіддачі зменшується.

Залежно від порівняння між силами тяжіння й силами тертя розрізняють три основних режими руху парорідинної суміші.

1).сили тяжіння істотно переважають над динамічним впливом пари, тому пар вважається нерухомим і він не впливає на рух плівки;

2).сили тяжіння й динамічного впливу порівнянні.

3).динамічний вплив переважає над силами тяжіння, тоді плівка прискорюється або сповільнюється паром.

Між цими режимами немає різкої границі. При конденсації в трубах швидкість пари не залишається постійною тому що витрата пару убуває, а витрата конденсату зростає. Найбільшу швидкість пар має на виході в трубу. У розрахунках зручно оперувати постійними й заданими значеннями, така величина називається швидкістю циркуляції

де — сумарна витрата пару й конденсату.

Швидкість є умовною величиною, вона дорівнює дійсної швидкості потоку в тім перерізі, де конденсат повністю заповнює весь переріз труби,, .

Пар у трубі може конденсуватися повністю або частково. Плин пару й конденсату може бути як ламінарним так і турбулентним. У міру конденсації пару його швидкість зменшується й турбулентний плин може перейти в ламінарний. У той же час початковий рух конденсату може бути ламінарним і в міру збільшення його кількості, вона може стати турбулентним.

Ламінарний плин плівки

Дослідні дані по дослідженню тепловіддачі при конденсації насиченої пари у вертикальній трубі при подачі його зверху оброблялися у вигляді залежності відносного коефіцієнта тепловіддачі від параметра

— середня в перерізі x швидкість пари.

,

— внутрішній діаметр труби;

— коефіцієнт тепловіддачі на порівняно невеликих ділянках труби, що дозволяє вважати його місцевим; - коефіцієнт тепловіддачі, обчислений по формулах для конденсації нерухомої пари, що конденсується на вертикальній стінці.

Фізичні параметри рідини й пару вибиралися по .

Відносний коефіцієнт тепловіддачі визначається по формулі.

При цьому, м/с. При розрахунок можна вести по формулах для нерухомої пари.

Турбулентний плин конденсату

В основу теоретичного дослідження була покладена аналогія між теплообміном й опором тертя. У результаті отримане напівемпіричне рівняння для розрахунку місцевих коефіцієнтів тепловіддачі.

— масовий видатковий паровміст у розглянутому перерізі.

Середні коефіцієнти тепловіддачі розраховуються по формулі

— масові видаткові паровмісти у вхідному й вихідному перерізі.

;

Для сталевих труб; латунних; мідних .

;; ;; .

Визначальна температура — температура насичення, що визначає розмір — діаметр труби. .

Якщо то кут нахилу труби не впливає на інтенсивність тепловіддачі. Це свідчить про перевагу динамічного впливу над силами ваги критичний Рейнольд .

Дуже складний процес конденсації пару усередині горизонтальних труб. Там може бути шаруватий плин і плин паро рідинної суміші під впливом сил тертя.

Теплообмін рухомої пари на горизонтальних трубах

Тепловіддача при конденсації пари, що рухається, на горизонтальній трубі (плин пари зверху вниз) може бути розрахована по формулі для ламінарного плину.

— середній коефіцієнт тепловіддачі при конденсації нерухомої пари; - число Фруда; - швидкість пари, що набігає на трубу; - зовнішній діаметр труби; - прискорення вільного падіння; - число Кутателадзе; - температурний напір

.

Конденсаційні апарати мають не одну трубу, а пучок труб. Труби звичайно розміщаються в шаховому або коридорному порядку. Процес конденсації на пучку характеризується тим, що конденсат послідовно стікає із труби на трубу краплями або струмками. При цьому товщина плівки зростає з одного боку, а з іншого струмки або краплі турбулізують шар плівки на трубі. При дуже великих швидкостях пару краплі можуть нестися потоком пару. У такий спосіб термічний опір з однієї сторони збільшується, а з іншої зменшується за рахунок обурень. Перевага збільшення термічного опору й зменшення у зв’язку із цим коефіцієнта тепловіддачі помітно при малих числах, і навпаки збільшення коефіцієнта помітно при більших числах .

Теплообмін при краплинній конденсації

Швидкісна кінозйомка зі збільшенням через мікроскоп показала, що малі краплі ростуть дуже швидко, а потім швидкість росту стає незначною. У міру росту краплі безупинно зливаються, звільняючи яку-небудь частину поверхні стінки. Після багаторазового злиття краплі при певному відривному діаметрі або відриваються, або скочуються під дією сили тяжіня.

Поки плівка дуже тонка, вона перебуває в силовому молекулярному полі суміжних фаз (твердої стінки й пару), у результаті чого набуває особливі властивості. Таку плівку називають тонкою, її товщина становить долі мікрометра. Така плівка перебуває під надлишковим тиском, що називається розклинюючим, воно обернено пропорційнийо кубу товщини плівки. Під дією розклинюючого тиску поверхні тонкої плівки притягаються друг до друга, причому в тим більшій мірі, чим тонше плівка. У результаті утворяться краплі, розміри яких більше ефективного радіуса дії міжмолекулярних сил. У середньому на стінці існують краплі (товста плівка) і мікроплівка тонка між краплями.

Різниця тисків у тонкому шарі конденсату й пару

.

— коефіцієнт поверхневого натягу; - радіус шару; - розклинюючий тиск.

У випадку рівняння переходять у відомі рівняння Лапласа й Томсона .

Якщо існуючі переохолодження більше, то конденсація термодинамічно можлива, якщо то немає.

Середній коефіцієнт тепловіддачі при краплинній конденсації нерухомого пару визначається При

При

де

;;; .

Визначальна температура — температура насичення. Визначальний розмір — критичний радіус, обумовлений з формули .

Залежність середніх коефіцієнтів тепловіддачі від швидкості пару виражається рівняннями

;

— середня швидкість пару на розрахунковій ділянці. Визначальна температура —. З формули видно, що й. При краплинній конденсації стікання конденсату з верхньої трубки на нижню приводить до незначного зниження тепловіддачі на 10 — 15%.

Окремі завдання теплообміну при конденсації

Конденсація перегрітої пари

При конденсації перегрітої пари температура перегрітої пари більше температури стінки,. Тому, пара на початку віддає теплоту перегріву в конвективному теплообміні, його температура знижується до температури насичення, а потім пара віддає теплоту фазного переходу конденсуючись. При повній конденсації перегрітогої пару кожен його кілограм віддає

термічний плівка конденсат тепловіддача

— теплоємність перегрітої пари.

Конденсація вологої пари

Волога насичена пара характерна тим, що в ній втримується вже сконденсована фаза у вигляді крапель рідини. Ці краплі можуть частково осаджуватися на плівку конденсату, змінюючи його режим плину. Наближені оцінки показують, що при масовій вологості в межах 10 — 12% її впливом на коефіцієнт тепловіддачі можна зневажити.

Конденсація пари рідинних металів

При конденсації пари металів може мати місце як краплинна так і плівкова конденсація. Краплинну дають пари ртуті, а пари і плівкову. Термічний опір рідкого металу дуже малий, тому вплив на теплообмін чинить термічний опір фазового переходу.