ВОПРОС 3. Теплообмен при пленочной конденсации движущегося пара внутри труб

В трубах большой длины конденсируется большое количество пара. При этом силы трения на границе между паром и конденсатором значительны. Если направление движения пара и конденсатора совпадают, то течение пленки ускоряется. Толщина ее уменьшается и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Если их направления не совпадают, то движение пленки замедля­ется; толщина ее при этом увеличивается, а теплоотдача уменьшается. Повышение скорости пара приводит к увеличению теплоотдачи вследствие того, что пленка увлекается паром и может быть частично «сорвана» с по­верхности стенки.

При конденсации в трубах скорость пара не остается постоянной, т. к. вдоль течения расход пара убывает, но возрастает расход конденсата. На­ибольшую величину скорость пара имеет на входе в трубу. Ее среднее значе­ние на входе достаточно просто вычисляется: если в трубу втекает сухой на­сыщенный пар, который полностью конденсируется в ней, то тогда

(5)

В уравнении (5) теплота переохлаждения конденсата не учитывает­ся, поэтому средняя скорость пара на входе w_n0 будет

(6)

В зависимости от условий процесса пар может сконденсироваться в трубе как полностью, так и частично. При полной конденсации аксиальная ско­рость пара на выходе из трубы равна нулю. Если труба достаточно длинная и процесс конденсации достаточно интенсивен, то в концевой части трубы все ее сечение может быть заполнено конденсатом. По мере конденсации пара ско­рость его уменьшается, и турбулентное течение может перейти в ламинарное.

В то же время расход конденсата вдоль трубы непрерывно увеличивает­ся, и его течение может перейти в турбулентное. При определенных услови­ях может иметь место и срыв капель с поверхности пленки.

Ламинарное течение пленки конденсата. Исследование теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара в вертикальной трубе при вхо­де пара сверху позволило получить зависимость для определения относи-

(7)

местными. Значения α_0х вычислялись по формуле для неподвижного пара, конденсирующегося на вертикальной стенке.

Относительный коэффициент теплоотдачи, находится по формуле

(8)

Вид уравнения (8) определялся теоретически при некоторых упро­щающих предположениях, а постоянные уточнялись по данным опытов с водяным паром примерно атмосферного давления. Числа Re изменялись от 1800 до 17 ООО (скорость пара w = 3,6...33,5 м/с). Температурный напор из­менялся от 8 до 60 К. При ψ < 35 расчет можно вести по формулам для непод­вижного пара.

Турбулентное течение конденсата. При турбулентном течении пленки конденсата при преобладающем влиянии сил трения пара получена форму­ла для расчета местных коэффициентов теплоотдачи

(10)

для медных с=0,032. в формулах (9) и (10)

Все физические параметры выбираются по температуре насыщения.

Уравнения (9) и (10) получены для случая, когда 1 >х_г>0 и 1 > х₂ > 0. В зависимости от значений х_г и х₂ можно выделить частные режи­мы: а) х₁ = 1; х₂ = 0 — полная конденсация сухого пара в трубе; б) х₁ = 1; 1 > х_г > 0 — частичная конденсация пара; в) 1 > х_г > 0; х_г = 0 — полная кон­денсация пара из пароводяной смеси, поступившей в трубу. При х_х = х₂ = 0 формулы (9) и (15.39) принимают структуру уравнений, используемых при расчете теплообмена однородных жидкостей.

Теплоотдача при капельной конденсации пара. Капельная конденсация пара осуществляется при неполном смачивании поверхности охлаждаемой стенки жидким конденсатом. В этом случае поверхность покрыта отдельны­ми каплями. Можно, однако, осуществить капельную конденсацию на стенке паров таких жидкостей, которые смачивают чистую стенку, но не смачивают покрытие ее тонким слоем какого-либо гидрофобного вещества.

Капельная конденсация является нестационарным процессом. Однако, если осредненные во времени его характеристики не изменяются, то такой процесс можно рассматривать как стационарный.

На охлаждаемой стенке в отдельных местах из переохлажденного пара зарождается множество мельчайших капель конденсата. К отдельным кап­лям притекают массы переохлаждаемого конденсирующегося пара. Приток паровых масс к охлаждаемой стенке и дальнейшее перемещение их вдоль нее к растущим каплям конденсата осуществляется под воздействием разно­сти давлений, возникающей при переохлаждении и конденсации пара. При этом малые капли растут очень быстро, затем скорость роста становится не­значительной. По мере роста капли непрерывно сливаются, освобождая ка­кую-то часть поверхности стенки. За счет многократного слияния и непре­рывно идущего процесса конденсации капли увеличиваются до отрывного размера, при котором они скатываются под действием силы тяжести или срываются движущимся паром.

Каждая капля, удерживаемая на стенке силами поверхностного натяжения и адгезии, служит сто­ком конденсата и теплоты, освобождаемой при кон­денсации пара (рис.3). Интенсивный приток масс пара к поверхности охлаждаемой стенки из окружа­ющего пространства и перемещение паровых масс с достаточно большой скоростью в пристенном слое к растущим каплям конденсата способствуют интен­сивному охлаждению и конденсации пара на стенке. Можно предполагать, что более интенсивный отвод теплоты с поверхности охлаждаемой стенки в усло­виях капельной конденсации пара по сравнению с отводом тепла при пленочной конденсации достига­ется интенсивным перемещением конденсируемого пара в пристенном слое.

Рис.3. схема формирования капельной конденсации пара на стенке

При первичном соприкосновении пара с поверхнос­тью стенки образуется адсорбционный слой; быстро идущий процесс конденсации приводит к образованию полимолекулярной жидкой пленки. Пока пленка очень тонка, она находится в силовом молекулярном поле твердой стенки и пара в результате чего приобретает особые свойства, от­личные от свойств этой же жидкости вдали от границы раздела фаз. Такую пленку будем называть тонкой. Ее толщина составляет доли микрона.

В общем случае толщина пленки неодинакова по поверхности и соизмерима или меньше высоты выступов естественной шероховатости твердого тела.

Тонкая пленка находится под избыточным давлением, которое называет­ся расклинивающим. Расклинивающее давление обратно пропорционально примерно кубу толщины пленки П ~ δ^{- 3}.

Поскольку при интенсивной капельной конденсации акты образования первичных капель непрерывно происходят на оголившейся поверхности стенки, можно полагать, что в среднем на стенке существует тонкая и толс­тая (капли) пленка. Одновременное существование тонкой пленки и види­мых капель следует представлять только в динамике.

Таким образом, роль эффектов капиллярности второго рода (тонких пле­нок) важна для процессов образования зародышевых капель. В крупных каплях эффекты капиллярности второго рода могут проявляться только у корня капли (на тройной границе пар — жидкость — стенка).

Известно, что равновесное давление насыщенного пара над выпук­лой поверхностью раздела фаз больше, чем над плоской. Конденсация пара на сферической капле с радиусом R, взвешенной в паре, может про­исходить только при условии, что R > R_K, где R_K — критический (мини­мально возможный) радиус кривизны поверхности раздела фаз. В слу­чае тонкой сферической пленки необходимо учитывать и влияние ее толщины.

Минимальный диаметр образуемой капли конденсата при переохлажде­нии пара на ΔТ_0ХЛ

(11)

Величина минимального диаметра капли конденсата, зарождаемой в пе­реохлажденном паре, весьма незначительна.

Поток переохлаждаемого пара у стенки легко захватывает такие мель­чайшие капельки конденсата и перемещает их к месту растущей капли на стенке, которая является своеобразным стоком конденсата. По мере увели­чения размеров увеличивается вес капли, и при определенном диаметре рас­тущая капля отрывается от стенки, и на ее месте в условиях непрерывного процесса конденсации пара вырастает новая капля и т. д.

Описанная модель явления капельной конденсации пара на стенке позво­ляет составить следующее критериальное уравнение для определения тепло­отдачи:

(12)

(13)

(14)

Физические параметры конденсата в формулах (13) и (14) выбира­ются по температуре насыщения t_n.

Масштабами линейных размеров и скорости являются критический ра­диус R_K и условная скорость, м/с, роста конденсированной фазы при отводе теплоты фазового перехода теплопроводностью

(15)

Безразмерное число П учитывает влияние капиллярных сил.

Опыты показывают, что при капельной конденсации стекание конденса­та с верхней трубки на трубку, расположенную под ней, приводит к незначи­тельному уменьшению коэффициента теплоотдачи.

Интенсивность теплоотдачи при капельной конденсации очень сильно зависит от примеси неконденсирующихся газов.

Дата добавления: 2014-01-04