1.5. Элементы теплообмена при фазовых превращениях. Конденсация чистого пара
Чистый пар – пар, который не содержит других газов.
Конденсация идет в конденсаторах турбин, всевозможных теплообменных аппаратах, на охлажденных поверхностях.
При конденсации выделяется теплота фазового перехода, процесс связан с теплообменом.
При
превращении 1 кг пара в жидкость выделяется
количество теплоты, численно равное
.
Поверхность имеет температуру ниже
температуры насыщения пара
.
Рис. 7.1. Диаграмма фазового перехода вблизи точки F
Перевод пара в конденсат идет при понижении температуры, росте давления или при одновременном действии этих факторов.
Различают 2 основных вида конденсации:
-
плёночная – происходит на смачивающей поверхности;
-
капельная – происходит на несмачивающей поверхности.
Бывает также объёмная конденсация – это дождь.
В некоторых аппаратах происходит и плёночная и капельная конденсация.
При капельной конденсации теплоотдача выше. Более распространена плёночная конденсация.
Расчёт коэффициента теплоотдачи по формулам Нуссельта
Принимаем,
что температура поверхности конденсата
примерно равна температуре насыщения
пара
.
При ламинарном движении плёнки конденсата
перенос тепла через неё осуществляется
теплопроводностью:
Рис. 7.2. Конденсация пара на вертикальной стенке
Теплопроводность через слой конденсата:
,
(7.1)
где δx – толщина плёнки конденсата.
С другой стороны поверхность стенки омывается конденсатом → теплоотдача:
,
(7.2)
где αx – местный коэффициент теплоотдачи.
Тогда из (7.1) и (7.2) получаем:
.
(7.3)
Выражение (7.3) справедливо для ламинарного движения пленки и покоящегося пара.
Рассмотрев условия движения плёнки, Нуссельт в 1916 году получил:
,
(7.4)
где х – длина конденсатной пленки;
g – ускорение свободного падения;
– плотность
жидкости;
– плотность
пара.
Если
давления невысокие, то можно принять,
что
.
Из (7.3) и (7.4) имеем:
.
(7.5)
Для конденсации на вертикальной стенке:
;
(7.6)
.
(7.7)
Для конденсации на горизонтальной трубе:
,
(7.8)
где D – наружный диаметр трубы.
Для наклонной стенки:
.
(7.9)
Рис. 7.3. Конденсация пара на наклонной стенке
Средняя температура конденсата:
. (7.10)
Формулы (7.3) – (7.9) приближенные, они справедливы при следующих допущениях:
1) плёнка течёт ламинарно;
2) силы инерции в плёнке малы по сравнению с силами вязкости и веса;
3) конвективный перенос и теплопроводность вдоль плёнки значительно меньше, чем поперёк;
4) трение пара о конденсат стремится к нулю;
5) температура конденсата на поверхности примерно равна температуре насыщения;
6)
теплофизические параметры (
,
λ,
)
не зависят от температуры (принимаются
при средней температуре конденсата).
Формулы (7.3) – (7.9) справедливы для чистого пара и чистой поверхности конденсации.
-
Перегрев пара.
Перегрев ведёт к возрастанию коэффициента теплоотдачи. Если пар перегрет, то вместо r следует подставлять:
,
(7.11)
где qпер – теплота перегрева.
-
Состояние поверхности.
На шероховатой поверхности коэффициент теплоотдачи снижается, т.к. возрастает толщина плёнки (7.3).
Рис. 7.4. Конденсация пара на шероховатой стенке
-
Содержание неконденсирующихся газов.
Давление у поверхности:
, (7.12)
где pв – парциальное давление воздуха;
pп – парциальное давление пара.
Содержание неконденсирующихся газов уменьшает коэффициент теплоотдачи, т.к. воздух накапливается у поверхности конденсатной плёнки.
Рис. 7.5. Давление и температура вблизи плёнки
-
Скорость и направление движения пара.
А Б
Рис.
7.6. Влияние скорости и направления
движения пара на
В случае А коэффициент теплоотдачи уменьшается (плёнка становится толще), в случае Б – увеличивается.
-
Компоновка поверхности.
Применяют конденсатоотводные колпачки для увеличения α.
Рис. 7.7. Конденсатоотводные колпачки
Лекция 8