Теплоотдача при конденсации пара в трубах

Если в трубу с охлаждаемой поверхностью подводится пар, то по мере прохождения по трубе пар постепенно конденсируется и на стенках образуется пленка конденсата. При этом расход пара G " и его скорость w " падают по длине трубы, а расход конденсата G ' увеличивается. Основной особенностью процесса конденсации в трубах является наличие динамического взаимодействия между паровым потоком и пленкой. На пленку конденсата действует также сила тяжести. В итоге в зависимости от ориентации трубы в пространстве и скорости пара характер движения конденсата может быть различным.

В вертикальных трубах при движении пара сверху вниз силы тяжести и динамического воздействия парового потока совпадают по направлению и пленка конденсата стекает вниз. В коротких трубах при небольшой скорости парового потока течение пленки в основном определяется силой тяжести аналогично случаю конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке. Такой же оказывается и интенсивность теплоотдачи [31 ]. При увеличении скорости пара интенсивность теплоотдачи растет. Это объясняется уменьшением толщины конденсатной пленки, которая под воздействием парового потока течет быстрее. В длинных трубах при больших скоростях движения пара картина процесса усложняется. В этих условиях наблюдаются частичный срыв жидкости с поверхности пленки и образование парожидкостной смеси в ядре потока. При этом влияние силы тяжести постепенно утрачивается, и закономерности процесса перестают зависеть от ориентации трубы в пространстве.

В горизонтальных трубах при не очень больших скоростях парового потока взаимодействие сил тяжести и трения пара о пленку приводит к иной картине течения. Под влиянием силы тяжести пленка конденсата стекает по внутренней поверхности трубы вниз. Здесь конденсат накапливается и образует ручей. На это движение накладывается движение конденсата в продольном направлении под воздействием парового потока. В итоге, интенсивность теплоотдачи оказывается переменной по окружности трубы: в верхней части выше, чем в нижней. Из-за затопления нижней части сечения горизонтальной трубы конденсатом средняя интенсивность теплоотдачи при небольших скоростях пара может оказываться даже более низкой, чем при конденсации неподвижного пара снаружи горизонтальной трубы того же диаметра [48].

При конденсации в трубах различают режимы полной и частичной конденсации пара. В первом случае весь поступающий в трубу пар конденсируется целиком, и на выходе из трубы движется сплошной поток конденсата. При частичной конденсации на выходе из трубы течет парожидкостная смесь.

Поскольку полный расход пара и конденсата G по длине трубы не изменяется, уравнение материального баланса для любого поперечного сечения трубы имеет вид:

.

Отношение расхода пара G_п, проходящего через данное сечение трубы, к полному расходу G называют расходным массовым паросодержанием двухфазного потока в этом сечении; его принято обозначать символом х:

.

Так, если на вход в трубу поступает насыщенный пар, то во входном сечении расходное массовое паросодержание равно единице (х ₁ = 1). При подаче в трубу влажного пара расходное массовое паросодержание на входе меньше единицы (х ₁<1). По мере движения потока по трубе вследствие конденсации содержание пара уменьшается. При полной конденсации пара в выходном сечении х ₂ = 0, при частичной х ₂>0.

Уравнение теплового баланса для элемента трубы длиной dl имеет следующий вид:

где q — плотность теплового потока в данном сечении трубы; D — внутренний диаметр трубы.

Если это уравнение проинтегрировать по длине от 0 до l, то получим уравнение теплового баланса для всей трубы:

,

где q — средняя по длине трубы плотность теплового потока; х ₁ и х ₂ — входное и выходное расходные массовые паросодержания потока.

Из последнего уравнения видно, что суммарный массовый расход пара и конденсата G, проходящий через трубу, однозначно связан с тепловой нагрузкой, размерами трубы и значениями расходного массового паросодержания потока на входе и выходе из канала. При этом, чем выше тепловая нагрузка q и чем длиннее труба, тем выше должны быть расход и скорость потока в трубе.

В этих условиях течение конденсатной пленки в основном определяется динамическим воздействием со стороны парового потока, причем на большей части длины (за исключением начального участка) режим движения конденсата в пленке носит турбулентный характер. Происходящий при этом интенсивный срыв жидкости с пленки в поток и обратный перенос капелек жидкости из ядра потока на пленку способствует процессу турбулентного перемешивания конденсата внутри пленки. Расчет теплоотдачи в этих условиях следует производить по формуле, полученной авторами [6] в результате теоретического анализа, основанного на аналогии Рейнольдса:

(3-22)

где — коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по известной зависимости (2-27)

при турбулентном движении жидкости (конденсата) в трубе с расходом G; ρ_m — средняя плотность парожидкостной смеси в данном сечении трубы.

Соотношение (3-22) определяет локальную интенсивность теплоотдачи для данного сечения канала. В конце участка конденсации средняя плотность парожидкостной смеси и . При заданном расходном массовом паросодержании х отношение плотностей жидкости и пароводяной смеси, входящее в уравнение (3-22), можно выразить формулой

(3-23)

Средний коэффициент теплоотдачи по всей длине трубы определяется соотношением

(3-24)

ПОДПРАВИТЬ ФОРМУЛУ3.24 как ниже

где величины , рассчитанные по уравнению (3-23), относятся соответственно к входному и выходному сечениям трубы.

Здесь приведены лишь примеры некоторых расчетных зависимостей. В каждом конкретном случае необходимо учитывать все особенности происходящих процессов. Требуемые для расчета сведения можно найти в специальной литературе или может потребоваться даже проведение экспериментальных исследований.