Тепломассообмен 15А Теплообмен при конденсации паров

Теплообмен при фазовых превращениях. Пленочная конденсация чистых паров Конденсация – это процесс перехода пара в жидкость. При конденсации происходит выделение теплоты фазового перехода, поэтому процесс конденсации связан с теплообменом. Различают пленочную конденсацию, Различают пленочную конденсацию, когда конденсат образует пленку на охлаждаемой поверхности, и капельную конденсацию, и капельную конденсацию, когда на охлаждаемой поверхности образуются капли конденсата. Коэффициент теплоотдачи выше при капельной конденсации, но в реальных теплоэнергетических установках чаще всего приходится иметь дело с пленочной конденсацией. Будем рассматривать так называемую конденсацию чистого пара (без примеси газов).

Конденсация пара на вертикальной стенке ПарКон- ден- сат 0 0 y y x

Допущения Если в качестве определяющих взять среднюю скорость пара в пленке, ее температуру и толщину пленки конденсата то для неподвижного пара переход от ламинарного режима течения конденсата к турбулентному происходит при Допущения: критическом числе Рейнольдса Допущения: 1) силы инерции в пленке конденсата малы по сравнению с силами вязкости и тяжести; 2) учитывается только теплопро- водность и конвективный перенос поперек пленки; 3) трение на границе пар – конденсат отсутствует; 4) температура на внешней поверхности пленки постоянна и равна температуре насыщения; 5) физические свойства конденсата в пленке постоянны (не зависят от температуры); 6) плотность пара мала по сравнению с плотностью конденсата.

Математическое описание процесса конденсации При ламинарном течении пленки конденсата перемешивания нет, то есть конвекция отсутствует и теплота поперек пленки передается теплопроводностью. Рассматриваем стационарную задачу, полагая, что высота процесс можно описать стенки бесконечно велика, тогда процесс можно описать системой дифференциальных уравнений энергии, движения, сплошности и граничными условиями при: при: Впервые эту задачу решил Нуссельт в 1916 году и получил уравнение для среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи.

Формула Нуссельта Формула Нуссельта для конденсации неподвижного пара:(1) с = 0,943 где константа с = 0,943, характерный линейный размер – для конденсации на вертикальной – высота поверхности для конденсации на вертикальной плоскостис = 0,728при плоскости и с = 0,728, – наружный диаметр при конденсации на горизонтальных трубах; конденсации на горизонтальных трубах; r – скрытая теплота парообразования, Дж / кг; - плотность жидкости, кг/м 3 ; g = 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения; - теплопроводность жидкости, Вт / мК; - коэффициент динамической вязкости жидкости, Нс/м 2 ; - температуры насыщения и стенки, С. Все физические свойства в (1) – при температуре насыщения.

Уравнения теплоотдачи для ламинарного движения пленки конденсата Формула Нуссельта дает погрешность в несколько процентов, так как не учитывает зависимость физических свойств жидкости от температуры и возрастание коэффициента теплоотдачи из-за волнового течения пленки, вызванного трением на границе Лабунцов предложил ввести поправку на раздела фаз. Лабунцов предложил ввести поправку на температуруи Капица – поправку на волновое температуру и Капица – поправку на волновое течение пленки течение пленки С учетом этих поправок средний (2) коэффициент теплоотдачи:(2) Уравнения (1) и (2) можно представить в безразмерном виде, (3) если считать число Рейнольдса определяемым числом подобия (3) - число подобия Архимеда. где- число подобия Архимеда.

Теплоотдача при турбулентном течении пленки конденсата При течение в пленке становится турбулентным (Re кр = 400 соответствует Z кр = 2300). Тогда уравнение подобия для теплоотдачи при cмешанном Тогда уравнение подобия для теплоотдачи при cмешанном течении пленки:.(4) Все уравнения справедливы и для конденсации на горизонтальной трубе, если в критериях подобия принять характерный линейный размер d вместо H. При и Pr н > 1 можно не учитывать инерционные силы и конвективный перенос теплоты.

Конденсация пара на горизонтальной трубе Эксперименты показали, что при интенсивность теплоотдачи на вертикальных и горизонтальных трубах была одинакова, что говорит о преобладающем влиянии динами- ческого воздействия пара по сравнению с силами тяжести. Ранее уже шла речь о формуле Нуссельта (1) для теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на горизонтальной трубе. На практике приходится иметь дело с конденсацией движущегося пара. В опытах Бермана насыщенный пар протекал сверху вниз и омывал горизонтальную трубу при: р п = 0,032 – 0,98 бар; w п = 0,26 – 17,6 м/c; Δt = 0,6 – 12 К; Re п = 46 – 864.

Уравнение подобия Бермана По результатам опытов Берман получил уравнение подобия:,(7) где для чистого пара (без примеси воздуха). При конденсации пара на горизонтальном пучке труб тепло- отдача на втором и последующих рядах снижается из-за уменьшения скорости пара, вызванной частичной его конден- сацией на предыдущих рядах труб и увеличением толщины пленки за счет стекания конденсата с верхних трубок.

Конденсация пара на горизонтальных трубных пучках Если считать, что температурный напор по трубному пучку не меняется, то для среднего по пучку коэффициента теплоотдачи Берман предложил уравнение:(8) где - коэффициент теплоотдачи на горизонтальной трубе по формуле Нуссельта (1), при этом относительный коэффи- циент теплоотдачи 1-го ряда: - степень конденсации пара; - массовые расходы пара на входе и выходе n – число рядов в пучке по высоте коридорного из пучка; n – число рядов в пучке по высоте коридорного пучкаили половина рядов по высоте шахматного. пучка или половина рядов по высоте шахматного.