Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 20. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара

Значения комплексов физических свойств, входящих в выражения для

температуры насыщения. [3].

Пленочная конденсация сухого насыщенного пара на наклонных стенках и горизонтальных трубах. Полученные ранее формулы справедливы при конденсации пара на вертикальных плоских стенках. В случае наклонной стенки в исходные уравнения движения вместо g необходимо ввести его проекцию на ось х gx = g cos , где – угол, образованный направлением вектора

g и осью х, тогда накл верт 4 cos .

Для криволинейной поверхности, в частности горизонтального цилин-

дра, угол будет переменной величиной. Учитывая это, средний по периметру коэффициент теплоотдачи при ламинарном течении пленки можно определить по формуле

R – радиус трубы. Формула справедлива при Z < 3900.

Конденсацияприсмешанномтечении пленкиконденсата

Турбулентное течение пленки конденсата вдоль вертикальной стенки наступает при местных значениях числа Рейнольдса Re=wx/ > 400. Таким образом, в верхней части пленки течение продолжает оставаться ламинарным, а на стенке будет смешанное течение жидкости. Если значение приведенной длины больше критического Z > 2300, то режим течения пленки конденсата в нижней части трубы турбулентный. Тогда при пленочной конденсации сухого насыщенного пара на вертикальной поверхности и смешанном режиме течения пленки конденсата средний по длине коэффициент теплоотдачи можно определить по следующей формуле [20]:

где Pr и Prc – числа Прандтля для конденсата при температурах tн и tc.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 20. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара

Капельнаяконденсацияпара

В общем случае при капельной конденсации на поверхности теплообмена возможно одновременное существование и отдельных капель, и пленки конденсата. В настоящее время не разработана достаточно строгая теория теплообмена при капельной конденсации, поэтому для инженерных расчетов используют уравнения подобия теплообмена [32]:

Контрольныевопросы

1.Перечислите допущения, необходимые для вывода уравнения Нуссельта, описывающего конденсацию неподвижного пара.

2.Запишите систему дифференциальных уравнений, описывающих конденсацию неподвижного пара, укажите особенности ее решения.

3.Запишите уравнение Нуссельта для конденсации неподвижного пара. Схематически изобразите зависимость коэффициента теплоотдачи и толщины пленки конденсата от высоты стенки.

4.Из-за влияния каких физических процессов уравнение Нуссельта неточно описывает пленочную конденсацию неподвижного пара.

5.Запишите критериальные уравнения, описывающие пленочную конденсацию неподвижного пара на вертикальной стенке (ламинарное и смешанное течение пленки конденсата) и на горизонтальной трубе. Поясните алгоритм вычисления коэффициента теплоотдачи по этим формулам.

6.Какой коэффициент теплоотдачи выше и почему для горизонтальной трубы или для вертикальной стенки?

7.Поясните особенности капельной конденсации неподвижного пара.

8.Запишите критериальные уравнения для расчета теплоотдачи при капельной конденсации пара.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция21. Теплоотдачаприконденсации

движущегосяпара

Конденсация движущегося пара на одиночной трубе. Конденсация движущегося пара на горизонтальном пучке труб. Изменение расхода и скорости пара. Коэффициент теплоотдачи на отдельной трубе. Средний коэффициент теплоотдачи пучка труб.

Конденсациядвижущегосяпаранаодиночнойтрубе

Процесс теплообмена при конденсации пара внутри труб более сложный, так как ограничен стенками трубы. Трубы могут быть достаточно длинными, и в них может конденсироваться большое количество пара. Пар поступает в трубу из внешней среды и, продвигаясь вдоль трубы, конденсируется. Возникает направленное движение пара, причем скорости последнего могут быть очень велики (до 100 м/с и более). При этом силы трения на границе между паром и конденсатом могут быть значительными.

Если направление движения пара совпадает с направлением течения конденсата под действием силы тяжести, то из-за трения течение пленки убыстряется, толщина ее уменьшается, а теплоотдача увеличивается. Если наоборот, то – уменьшается. Повышение скорости пара может привести к тому, что пленка будет увлечена паром и частично сорвана с поверхности стенки, при этом теплоотдача увеличится.

Таким образом, при конденсации пара в трубе теплоотдача помимо факторов, рассмотренных в предыдущих случаях, может зависеть от динамического воздействия пара на пленку конденсата. Это воздействие зависит от направлений сил тяжести и сил трения. Взаимное направление этих сил определяется не только положением трубы в пространстве, но и зависит от того, входит ли пар в вертикальную (или наклонную) трубу сверху или снизу.

В зависимости от величин сил тяжести и сил трения можно различить три основных случая: 1) силы тяжести существенно преобладают над динамическим воздействием пара, и последний можно считать практически неподвижным, как в предыдущих случаях; 2) силы тяжести и силы динамического воздействия на пленку соизмеримы; 3) динамическое воздействие пара на пленку конденсата преобладает над силами тяжести, при этом конденсат движется, увлекаемый паром, и теплоотдача практически не зависит от положения трубы в пространстве.

Конденсат может заполнить всю трубу или ее часть. Течение пленки может быть как ламинарным, так и турбулентным. Величина силы трения на границе раздела фаз зависит от режима течения. Особенно сложен второй

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 21. Теплоотдача при конденсации движущегося пара

случай, когда силы тяжести и силы трения соизмеримы. В этом случае движение пленки конденсата может происходить как вдоль, так и по окружности трубы, причем режим течения на различных участках может быть разный. Все эти особенности процесса существенно затрудняют получение точных зависимостей.

Для промышленной практики наиболее важны данные о конденсации движущегося пара на горизонтальных трубах. При конденсации движущегося сухого насыщенного водяного пара на одиночной горизонтальной трубе

коэффициент теплоотдачи при wп2 1 можно рассчитывать без учета влияния скорости движения пара на теплоотдачу, т. е. по формуле (20.2). При значениях wп2 1 необходимо учитывать влияние скорости движения пара

на теплоотдачу. В этом случае коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по формуле [18]

где н – значение коэффициента теплоотдачи для неподвижного пара, рас-

гающего потока пара; – плотность пара при температуре tн; и – плот-

ность и коэффициент теплопроводности конденсата при температуре tн, соответственно. Формула применима при давлениях пара от 5 до 100 кПа, темпе-

ратурных напорах t = tн – tс от 2 до 20 оС и П < 800.

Конденсациядвижущегосяпара нагоризонтальномпучкетруб

Конденсационные аппараты, как правило, имеют не одну трубку, а пучок труб, размещенный в шахматном или коридорном порядке. Процессы конденсации на наружной поверхности одиночной трубы и пучка труб различны из-за уменьшения скорости пара при его движении в пучке из-за частичной конденсации и увеличения толщины пленки конденсата за счет последовательного стекания его с трубки на трубку.

Уменьшение скорости пара по мере

его движения через пучок приводит к по-

Рис. 21.1

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 21. Теплоотдача при конденсации движущегося пара

следовательному уменьшению теплоотдачи при возрастании номера ряда. К такому же эффекту приводит и сток конденсата с верхних труб на нижние. Однако сток конденсата в этом случае отличается от движения по вертикальной стенке, так как конденсат стекает не в виде сплошной пленки, а отдельными каплями или струйками (рис. 21.1). Капли, попадая на нижележащую трубу, с одной стороны, утолщают пленку жидкости, с другой стороны, возмущают течения, образуя волны. Места отрыва и падения перемещаются вдоль трубы, особенно если есть хотя бы небольшой наклон. Волнообразная струя конденсата перемещается вдоль нижней части трубки. Увеличение термического сопротивления за счет толщины компенсируется возникающими возмущениями.

При конденсации водяного пара на горизонтальных трубных пучках, обтекаемых сверху вниз чистым водяным паром, значения коэффициента теплоотдачи по рядам труб можно определить по следующей приближенной методике [18, 20]:

А. Производится последовательный расчет количества пара Gп, конденсирующегося на трубках каждого ряда, расхода пара Gп и коэффициента теплоотдачи п’ по рядам. При этом

G п Fп t

пr ,

G n 1 G n G n ,

где

n wn 0 ,16 .

1 w1

Здесь Fn – площадь поверхности теплообмена рассматриваемого ряда труб; w1 и wn – скорости потока пара перед первым и n-м рядами.

Б. Определяются поправки на влияние стекания конденсата:

n

где G i – суммарное количество конденсата, стекающего по n-й трубе;

i 1

Gп – количество конденсата, образующегося на n-й трубе.