6.1. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА

Конденсацией называется переход вещества из парообразного состояния в жидкое. Конденсаторы, применяемые в турбинных установках, и паровые подогреватели воды, используемые в теплогенери-рующих установках, обычно устраиваются в виде пакетов горизонтальных или вертикальных трубок, с внешней стороны омываемых паром, а с внутренней стороны - водой. Когда пар соприкасается с хо­лодной поверхностью, то он конденсируется либо в виде капель, либо в виде пленки. Конденсация пара на поверхности происходит тогда, когда температура поверхности Т; ниже температуры насыщения Т^, отвечающей данному давлению пара.

На поверхности твердых тел различают пленочную и капельную конденсацию, которые при непод­вижном паре зависят от угла смачивания в (краевого угла), составленного между поверхностью тела и касательной к капле. Если краевой угол в < 90°, то твердую поверхность называют смачиваемой, и чем в меньше, тем лучше капля растекается на поверхности. При в > 90° твердая поверхность не смачивае­ма, и капли сохраняют на ней свою каплеобразную форму. Совершенно чистые металлические поверх­ности почти полностью смачиваются водой, а загрязненные - неполно или вовсе не смачиваются.

Капельная конденсация имеет место при слабой интенсивности конденсации, когда конденсат не смачивает поверхность или металлическая поверхность загрязнена до стойко адсорбированной. Под действием механических сил отдельные капли скатываются по поверхности, образуя ручейки. Преобла­дающая часть твердой поверхности продолжает при этом непосредственно омываться паром. Искусст­венно капельную конденсацию можно получить, смазывая поверхность маслом или примешивая жир­ные кислоты к конденсирующему пару.

Пленочная конденсация имеет место при соприкосновении водяного пара с чистой металлической поверхностью. Капли, выпадающие на поверхности, растекаются и образуют сплошную пленку. Необ­ходимо знать, что любая чистая поверхность металла постепенно покрывается загрязнениями и плохо смачивается, но с течением времени (в процессе старения поверхности) образуется оксидная пленка, на которой конденсация рано или поздно приобретает пленочный характер. Поэтому капельная конденса­ция особого интереса для инженеров не представляет, хотя при капельной конденсации теплообмен ме­жду паром и стенкой в 5 - 10 раз больше, чем при пленочной конденсации.

При конденсации пара на чистую поверхность всегда получается сплошная пленка, в результате че­го создается дополнительное термическое сопротивление передаче теплоты от пара к стенке. На шеро­ховатой поверхности толщина пленки еще выше при одинаковых прочих условиях. Окисленная поверх­ность также может снизить по этой причине коэффициент теплоотдачи на 30 % и более.

Если конденсация происходит на вертикальной поверхности или трубе, то течение пленки носит ламинарный характер, градиент температуры вдоль пленки конденсата отсутствует, а силы инерции, возникающие в ней, пренебрежимо малы. Для вертикальной поверхности высотою Н, ламинарного ха­рактера течения пленки и при условии, что градиент температуры вдоль пленки конденсата отсутствует, а силы инерции, возникающие в ней, пренебрежимо малы, явление конденсации в некотором прибли­жении поддается математическому описанию:

где r - скрытая теплота парообразования; dG - приращение конденсата на участке dx; v, X - теплофизи-ческие характеристики конденсата (кинематическая вязкость и коэффициент теплопроводности), выби­раемые по средней температуре пленки: Тт = 0,5(Т„, +

Решение дифференциальных уравнений теплопроводности и движения позволяет получить среднее значение коэффициента теплоотдачи при конденсации на вертикальной поверхности и барометриче­ском давлении р (кг/см2)

ав = — Гаxdx = 0,94 4           . (6.1)

В действительности пленка конденсата имеет не ламинарное, а волновое движение, обусловленное силами поверхностного натяжения, а эффективная теплопроводность такой пленки выше на 21 %. Если внести такую поправку, то теория и опыт дают достаточно хорошую сходимость. Если стенка наклон­ная, то

а v =а в^/sinV, (6.2)

где ав - коэффициент теплоотдачи для вертикальной стенки; у - угол наклона стенки к горизонту.

Поверхность горизонтальной трубы диаметром d можно рассматривать состоящей из небольших плоских элементов с различным углом наклона у к горизонту. Если провести соответствующее интег­рирование от 0 до 180° без поправки на волновое движение, то

а г=0,72 т <">

Если пар энергично движется сверху вниз и скорость движения пара совпадает по направлению со скоростью течения пленки конденсата, то коэффициент теплоотдачи увеличивается, так как толщина пленки становится меньше. При противоположном направлении скоростей коэффициент теплоотдачи уменьшается, так как толщина пленки вследствие трения становится больше. Если скорость восходяще­го пара становится выше определенного предела, то конденсатная пленка разрушается и оказывается сорванной с поверхности. Срыв пленки способствует интенсификации и возрастанию теплообмена.

При конденсации перегретого пара теплоотдача несколько выше. Если же в паре содержится не­конденсирующийся газ, воздух, то у стенки наблюдается его наибольшая концентрация, образуется слой термического сопротивления и газовая прослойка при конденсации пара заметно снижает коэффи­циент теплоотдачи.

Особое внимание необходимо также уделять расположению поверхности, так как согласно (6.1) и

(6.3)

г H

— = 0,626 4— . а в yd

Так, в частности, при H = 1 м и d = 0,02 м, имеем аг = 1,7ав.

Это означает, что при прочих одинаковых условиях вопрос компоновки следует решать в пользу

горизонтальной трубки. Для горизонтально расположенной трубы, по сравнению с вертикальной, сред­ний коэффициент теплоотдачи выше. Однако это справедливо лишь для одиночных труб, а также верх­него ряда труб в пучке. С верхнего ряда конденсат стекает на нижние ряды, утолщая тем самым пленку

конденсата каждого последующего ряда. Поэтому в больших конденсаторах на горизонтальных трубках

целесообразно располагать специальные наклонные перегородки (поверхности) для отвода конденсата.

При вертикальном расположении трубок лучше всего пользоваться конденсатоотводными колпач­ками. Установка таких колпачков через каждые 10 см по высоте трубы прерывает естественное утолще­ние стекающей пленки конденсата, чем значительно увеличивает среднее значение коэффициента теп­лоотдачи по высоте трубки.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я