Теоретические сведения

Конденсацияпредставляет собой процесс перехода пара в жидкое состояние.

Конденсация возможна как в объеме пара (парогазовой смеси), так и на поверхности твердого тела или жидкости, с которыми соприкасается пар (парогазовая смесь).

В энергетике чаще всего приходится иметь дело с конденсацией пара в жидкое состояние на охлажденных поверхностях теплообмена.

Для возникновения процесса конденсации на поверхности твердого тела необходимо выполнение такого условия: температура поверхности стенки t_c должна быть меньше температуры насыщения t_н при данном давлении: t_c < t_н ; t_н=f(P).

На хорошо смачиваемых поверхностях капли конденсата, сливаясь друг с другом, образуют жидкую пленку, которая под действием силы тяжести стекает вниз. Такую конденсацию пара называют плёночной. На несмачиваемой или плохо смачиваемой поверхности капли конденсата быстро стекают (“скатываются”) по поверхности стенки, не образуя пленки. Такой вид конденсации называют капельной. Капельная конденсация на практике реализуется редко, несмотря на то, что коэффициенты теплоотдачи в этом случае в несколько раз выше коэффициентов теплоотдачи при пленочной конденсации. Последнее объясняется тем, что и при пленочной конденсации коэффициенты достаточно высоки, и потому стадия переноса теплоты при пленочной конденсации обычно не является лимитирующей в общем процессе теплопереноса, в то время как создание несмачиваемой (гидрофобной) поверхности в теплообменнике (для создания капельной конденсации) приводит к удорожанию процесса. Поэтому в теплообменниках обычно конденсация паров происходит по пленочному механизму.

Обобщенная расчетная формула теплоотдачи в модели Нуссельта с преимущественным термическим сопротивлением в пленке конденсата:

,

где С, n  – постоянные; ; ; ; ; α– среднее значение искомого коэффициента теплоотдачи при конденсации пара (Вт/(м²·^°С)); l  – характерный линейный размер (м), равный высоте H  для вертикальных поверхностей теплоотдачи и диаметру d  для поверхностей горизонтальных труб; λ, ρ, μ, c_p, g  – соответственно, величины коэффициента теплопроводности (Вт/(м·^°С)), плотности массы (кг/м³), динамической вязкости (Па·с), изобарной теплоемкости (кДж/(кг·^°С), и ускорения свободного падения (м/с²) для пленки конденсата при средней определяющей температуре ее t_пл = 0,5(t_конд+t_с), равной полусумме температуры конденсации t_конд  и температуры стенки t_с; r  – теплота фазового превращения (Дж/кг) при t_конд: Δt= t_конд - t_с; С = 0,728 – при конденсации на поверхности одиночных горизонтальных труб; С = 0,94 – при конденсации на поверхности вертикальных стенок (пучка труб) в приближении ламинарного режима стекания пленки конденсата; С = 1,15 – то же, но с поправкой в 21% на волнообразование в стекающей пленке конденсата; n  = 0,25.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи на поверхности пучка вертикальных труб высотой H:

,

где значения величин λ, ρ, g, r, μ, Δt, H – для пленки конденсата при .

Среднее значение коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы диаметром d:

Проведение расчетов

Задача 1. На наружной поверхности вертикальной трубы диаметром d= 20 мм и высотой H=2 м конденсируется сухой насыщенный пар при давлении p= 1,013 бар. Температура поверхности трубы равна: t_c = 95; 85; 75; 65; 50; 40; 30; 20 ^°С. Пар можно считать неподвижным.

Определить средний по высоте коэффициент теплоотдачи от пара к трубе αи количество пара G кг/ч, которое конденсируется на поверхности трубы. Построить графические зависимости α =f(∆t), G =f(∆t).

Методика решения

По заданному давлению пара p по таблицам для воды и водяного пара на линии насыщения определяются: температура насыщения t_н ^°C; плотность пара ρ" и конденсата ρ' кг/м³; теплота, выделяемая при конденсации r Дж/кг; динамическая и кинематическая вязкость конденсата µ_ж Па·с и ν_ж м²/с при температуре насыщения t_н; коэффициент теплопроводности конденсата λ_ж Вт/(м·^°С); число Прандтля конденсата Pr_ж при температуре насыщения t_н. По температуре стенки t_c определяется число Прандтля конденсата Pr_с.

Рассчитывается приведенная высота трубы:

,

где ∆t = t_н - t_c ^° С - температурный напор; Аr - число Архимеда:

                                                      ,

где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения; Н - высота трубы, м.

Если Z< 2300, то режим течения пленки конденсата ламинарный, и число Рейнольдса рассчитывается по выражению:

                                              .

Если Z>2300, то режим течения пленки конденсата смешанный, и число Рейнольдса рассчитывается по выражению:

.

Рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи:

 Вт/(м²·^°С).

Определяется количество пара, которое конденсируется на поверхности

трубы:

                                                  кг/ч,

где r - теплота конденсации, Дж/кг; - площадь поверхности трубы, м²; d - диаметр трубы, м.

Задача 2. Решить задачу 1 при условии, что труба не вертикальная, а горизонтальная.

Пояснение. Для горизонтальной трубы коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара можно рассчитать по формуле:

                                       Вт/(м²·^°С).

Задача 3. Определить изменение среднего коэффициента теплоотдачи αВт/(м²·^°С) и количества теплоты Q кВт, передаваемого при конденсации водяного пара к стенке вертикальной трубы в зависимости от ее высоты. Диаметр трубы d=22 мм. Пар считать неподвижным.

Давление пара p = 64,19 бар; температура поверхности трубы t_c = 270 ^°С. Расчет произвести для значений высоты H, равных 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3 и 4 м и построить графические зависимости α =f(H), Q=f(H).

Пояснение. Средний коэффициент теплоотдачи α рассчитывается по тем же формулам, что и в задаче 1. Количество теплоты, передаваемое трубе при конденсации пара, определяется выражением:

                                                          Вт,

где - площадь поверхности трубы, м²; d - диаметр трубы, м.

Задача 4. Решить задачу 3 при условии, что труба не вертикальная, а горизонтальная.

Пояснение. Средний коэффициент теплоотдачи α рассчитывается по той же формуле, что и в задаче 2.

Контрольные вопросы.

1. Что называется процессом конденсации пара?

2. Какие существуют виды конденсации в зависимости от смачиваемости поверхности?

3. Запишите обобщенное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации.

4. Как определяются коэффициенты теплоотдачи при конденсации пара пучка вертикальных и горизонтальных труб?

5. При какой конденсации теплоотдача больше: при капельной или пленочной?

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 1.