Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 21. Теплоотдача при конденсации движущегося пара

В. Значение коэффициента теплоотдачи для n-го ряда с учетом влияния скорости пара и стекания конденсата определяется как

n = n΄ n.

Средний коэффициент теплоотдачи для всего трубного пучка

где Fi – площадь поверхности теплообмена отдельных труб; F – общая площадь поверхности теплообмена.

Если все трубы в пучке одинаковые, то средний коэффициент теплоот-

дачи

1 n i . n i 1

Рассмотрим применение данной методики на примере решения следующей задачи. Необходимо определить средний по длине коэффициент теплоотдачи от пара к трубам конденсатора, выполненного в виде горизонтального коридорного трубного пучка, состоящего из n = 14 рядов труб по высоте. Наружный диаметр труб d = 16 мм. Шаг труб по горизонтали s = 1,25d. Поверхность теплообмена всех рядов труб в пучке одинакова. На поверхности труб конденсируется сухой насыщенный водяной пар под давлением p = 9,8 кПа, движущийся сверху вниз. Скорость потока пара перед верхним рядом труб ω1 = 35 м/с. Температура поверхности всех трубок tc = 35 °C. При расчете принять давление пара и температурный напор неизменным по высоте пучка.

В рассматриваемой задаче сначала определяем коэффициент теплоот-

дачи для неподвижного пара.

При p = 9,8 кПа, ts = 45,5 ˚C А = 13,7 1/(м·˚С); В = 2,83·10–3 м/Вт.

Температурный напор t = ts–tc = 45,5–35 = 10,5 ˚C.

Расчет коэффициента теплоотдачи для первого ряда пучка с учетом влияния скорости пара проведем по следующей методике.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 21. Теплоотдача при конденсации движущегося пара

При ts=45,5 ˚C "=0,0668 кг/м3; ' =991 кг/м3; λ=0,645 Вт/(м·˚C); r=2393 кДж/кг.

откуда

1 1,6 н 1,6 11300 18100 Вт/(м2 C).

Количество пара, конденсирующегося на 1 м трубки первого ряда,

3,98 10 3 кг/(м с),

или

G1 3,98 10 3 3600 14,3 кг/(м ч).

Расход пара на 1 м трубки первого ряда

G1=ω1 " ·3600 =35 · 0,0688 · 1,25 · 0,016 · 3600=168 кг/(м·ч).

Расход пара на 1 м трубки второго ряда

G 2 G1 G1 168 14, 3 153, 7 кг/(м ч).

Так как по условиям задачи геометрические характеристики всех рядов труб одинаковы, то

Имеем:

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 21. Теплоотдача при конденсации движущегося пара

и так как p, t, r и d постоянны по всем рядам, то

В значения коэффициентов теплоотдачи вносим поправку на уменьшение их за счет стекания конденсата:

Просуммировав значения αi, приведенные в последнем столбце табл. 21.1, и разделив эту сумму на число рядов n = 14, найдем: α = 13 700 Вт/(м2·˚С).

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 21. Теплоотдача при конденсации движущегося пара

Контрольныевопросы

1.Как влияет на процесс теплоотдачи движение пара внутри трубы, если труба вертикальная или горизонтальная?

2.При выполнении какого условия конденсацию движущегося пара можно рассчитывать по формулам для неподвижного пара?

3.Как учитывают влияние скорости движения пара на теплоотдачу при пленочной конденсации движущегося пара на одиночной горизонтальной трубе?

4.К чему приводит стекание пленки конденсата с верхних рядов на нижние при конденсации движущегося пара на горизонтальных пучках труб?

5.Какие процессы необходимо учитывать при расчете теплоотдачи движущегося пара на трубных пучках?

6.Как и почему меняется коэффициент теплоотдачи в зависимости от номера ряда при конденсации пара на пучке труб?

7.Поясните алгоритм расчета среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации движущегося пара на горизонтальном пучке труб.

Лекция22.

Описаниепроцессакипенияжидкости

Условия зарождения паровой фазы в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности. Динамика паровых пузырьков при кипении. «Кривая кипения». Изменение структуры двухфазного потока по длине парогенерирующего канала.

Условиязарожденияпаровойфазы вобъемеперегретойжидкостиинатвердойповерхности.

Динамикапаровыхпузырьковприкипении

Процессы кипения имеют большое значение в теплотехнике, атомной энергетике, химической технологии и ряде других областей современной техники. К настоящему времени выполнено большое количество работ, посвященных исследованию условий протекания кипения жидкостей и соответствующих закономерностей переноса тепла [5, 18, 21. 32].

Кипение возможно во всем температурном интервале между тройной и критическими точками для данного вещества. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования, поэтому процесс кипения всегда связан с подводом тепла к кипящей системе.

Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится тепло, и кипение в объеме жидкости.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лекция 22. Описание процесса кипения жидкости

При кипении на твердой поверхности образование паровых пузырьков наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т.д.). Этот вид кипения и будет в основном рассматриваться далее.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием переноса массы вещества и тепла паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде отдельных неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и т.д. Поэтому образование пузырьков пара происходит преимущественно непосредственно на поверхности теплообмена.

При пузырьковом кипении жидкости основной поток тепла от поверхности нагрева передается жидкой фазе, так как она обладает значительно большей теплопроводностью, чем паровая фаза. Поэтому, как и в случае конвекции однофазной жидкости, основным тепловым сопротивлением при кипении является тепловое сопротивление пограничного слоя жидкости. Однако периодический процесс роста и отрыва отдельных паровых пузырьков от стенки, а также всплывание их вызывает сильное движение, турбулизацию жидкости, частично разрушающие пристеночный слой, что приводит к значительному увеличению интенсивности теплоотдачи по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Чтобы паровой пузырек мог возникнуть в перегретой жидкости и су-

ществовать в дальнейшем, необходимо, чтобы давление пара p1 в нем было не меньше суммы всех сил, действующих на паровой пузырек. В момент образования пузырька на него действуют две основные силы: сила давления

окружающей его жидкости p и поверхностное натяжение самой поверхности пузырька. Условие равновесия определяется уравнением Лапласа:p p1 p 2 / Rк , где Rк 2 / p – минимальный или критический ради-

ус пузырька в момент зарождения. При p 2 / Rк паровой пузырек может существовать и развиваться; при p 2 / Rк он сконденсируется. Определив величину разности давления как функцию температуры, получим значение