2015-05-05
4774
Конденсация - процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое - происходит при соприкосновении пара со стенкой, имеющей температуру tc, более низкую, чем температура насыщения t s, и сопровождается выделением теплоты. На смачиваемой поверхности стенки конденсат образует сплошную пленку (пленочная конденсация). Движение пленки конденсата может быть ламинарным и турбулентным. При стекании ламинарной пленки с вертикальной поверхности наблюдается волновое течение конденсата, что способствует повышению интенсивности теплоотдачи.
8.1. Конденсация неподвижного пара
При ламинарном течении пленки конденсата в условиях Z<2300; r/cp(ts-tc)≥5 и Pr ≥ l средний по высоте коэффициент теплоотдачи для вертикальной поверхности высотой Н определяется формулой
(8.1)
приведенная длина
(8.2)
здесь 
- поправка на переменность физических свойств конденсата; 
и 
- теплопроводность и динамическая вязкость конденсата, определяются по средней температуре 
стенки; 
- соответственно теплопроводность, динамическая и кинематическая вязкости, плотности и массовая теплоемкость конденсата, определяются по температуре насыщения t s, ρп и r - плотность насыщенного пара и теплота парообразования при ts, g - ускорение свободного падения.
|
|
|
Для случая конденсации водяного пара формулы (8.1) и (8.2) могут быть преобразованы для удобства пользования:
(8.3)
(8.4)
где D и А выбираются из табл. 14 приложения по ts.
Средний по окружности г оризонтальной трубы коэффициент теплоотдачи (труба с наружным диаметром d, ламинарный режим -Z<900)
(8.5)
Обозначения те же, что для формулы (8.1). Формула (8.5) применяется при d<20[σ/(ρg)]0,5, где σ - коэффициент поверхностного натяжения.
Для случая конденсации водяного пара формула (8.5) может быть преобразована:
(8.6)
где М выбирается из табл. 14 приложения по ts.
При Z >2300 на вертикальных поверхностях наблюдается комбинированное течение пленки конденсата: на начальном участке - ламинарное течение, а далее - турбулентное. Переход ламинарного режима в турбулентный происходит на высоте Hкр от верхней кромки стекающей конденсатной пленки
(8.7)
Для случая конденсации водяного пара формула (8.7) может быть преобразована:
(8.8)
где А выбирается из табл. 14 приложения по ts.
При комбинированном течении пленки конденсата на вертикальной поверхности средний по высоте Н коэффициент теплоотдачи
(8.9)
где Prs, Prc - значения чисел Прандтля для конденсата, определяются соответственно по температурам ts и tс. Если обозначить E = rρv, то для расчета конденсации водяного пара Е можно выбрать из табл. 14 приложения по ts.
Если конденсируется перегретый пар, то коэффициент теплоотдачи приближенно можно определить по вышеприведенным формулам заменой теплоты парообразования r величиной [r + cpn(tn—ts)], где срп и tn - соответственно изобарная теплоемкость и температура перегретого пара.
|
|
|
Ее пи конденсируется влажный пар со степенью сухости х, то в формулы (8.1) - (8.9) вместо r подставляется хr.
Количество пара G, кг/с, конденсирующегося на поверхности F,м2, трубы, находится из формулы теплового баланса
(8.10)
Толщина пленки конденсата δх и местный коэффициент теплоотдачи αх на расстоянии х от верхнего конца вертикальной поверхностипри ламинарном режиме течения конденсата определяются по формулам:
(8.11)
(8.12)
где λ, μ, ρ - теплопроводность, динамическая вязкость и плотность конденсата, определяются по температуре tnл=0,5(ts+tc);r - теплота парообразования, определяется по температуре ts.
8.2. Конденсация движущегося пара
Паровой поток, движущийся относительно стенки, оказывает динамическое воздействие па пленку конденсата, что вызывает изменение коэффициента теплоотдачи. Влияние скорости ωn набегающего потока насыщенного пара следует учитывать при ωп>10м/с и ωпρп>1.
Горизонтальный цилиндр с наружным диаметром d омывается поперечным потоком пара, конденсирующегося на внешней поверхности цилиндра; при этом
(8.13)
где
, 
- теплопроводность и кинематическая вязкость конденсата, определяются по 
.
формула (8.13) используется при Reпл=1÷106; (KPr/Fr) пл=10-5÷105
Пучок горизонтальных труб омывается движущимся сверху вниз поперечным потоком насыщенного пара; методика приближенного расчета включает определение следующих величин:
1) коэффициента теплоотдачи α1 на первом ряду труб
(8.14)
где 
- средний коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара, определяется по формуле (8.5); ρп, ρ - плотность пара и конденсата при температуре ts; ωП - скорость пара в узком сечении горизонтального ряда труб; d - наружный диаметр труб; λ - теплопроводность конденсата при ts.
Формула (8.14) применяется для водяного пара при ∆t = ts- tc=0,6÷12 °С, давлении от 0,032*105 до 0,89*105 Па, числе Рейнольдса 
от 46 до 864 и объемном содержании воздуха в паре до 0,017%;
2) расхода пара на 1 м длины трубы первого ряда
(8.15)
где 
- скорость пара перед первым рядом труб; 
- плотность пара, находится по ts ', 
- поперечный шаг труб;
3) количества пара, сконденсировавшегося на 1 м длины трубы
первого ряда в секунду,
(8.16)
где 
- теплота парообразования при ts;
4) расхода пара на 1 м длины трубы второго ряда
(8.17)
5) скорости пара 
перед трубами второго ряда с учетом частичной конденсации пара на трубах первого ряда и равенства площади поверхности теплоотдачи на всех рядах пучка
(8.18)
6) коэффициента теплоотдачи 
на трубах второго ряда, который
находится с учетом влияния скорости пара, исходя из формулы (8.14):
(8.19)
7) количества пара 
, сконденсировавшегося на 1 м длины трубы второго ряда в секунду,
(8.20)
8) поправки на снижение теплоотдачи из-за натекания конденсата
сверху на трубу второго ряда
(8.21)
где 
- суммарное количество конденсата, стекающего по трубе i -го ряда; 
- количество конденсата, образующегося на трубе i -го ряда; п - количество рядов труб по высоте коридорного пучка или половина рядов труб шахматного пучка.
Для примера эта поправка для трубы второго ряда:
9) действительного коэффициента теплоотдачи на трубе второго ряда:
(8.22)
Расчет продолжается для остальных рядов пучка подобным же образом на основе пп. 1- 9. Для всего пучка средний коэффициент теплоотдачи
(8.23)
где F - общая площадь поверхности трубного пучка; fi - площадь поверхности i -го ряда труб.
При одинаковой поверхности теплообмена в каждом из n рядов пучка средний коэффициент теплоотдачи пучка
|
|
|
(8.24)
8.3. Задачи
8.1.Имеется трубчатый теплообменник из 22 горизонтальных труб наружным диаметром 18 мм и длиной 1,2 м. Достаточна ли его поверхность для конденсации 1100 кг/ч сухого насыщенного водяного пара? Конденсация пара предполагается при давлении 0,27 МПа, температура поверхности трубок 60 °С. Конденсат отводится при температуре насыщения.
8.2.Сухой насыщенный водяной пар с температурой насыщения 42 °С охлаждается на вертикальной стенке камеры, температура ко торой 28 °С. Рассчитать толщину пленки конденсата, стекающего по стенке, и локальный коэффициент теплоотдачи для следующих значений расстояния от верхней кромки стенки: 0,3; 0,6; 0,9; 1,2 м.
8.3.В горизонтальном конденсаторе необходимо сконденсировать 1000 кг/ч сухого насыщенного водяного пара при давлении 1,013х105 Па. Конденсация происходит на трубах длиной 3,5 м и наружным диаметром 30 мм. Температура стенок труб 80 °С. Какое количество труб необходимо для конденсации пара при условии, что конденсат не переохлаждается, а пар неподвижен?
8.4.По вертикальной стойке в теплообменном аппарате стекает пленка конденсата, возникшая при охлаждении сухого насыщенного пара. Высота стойки 3 м, температура ее поверхности 70 °С. Водяной пар конденсируется при ts=110°C. Определить высоту стойки, на которой будет ламинарное течение пленки конденсата. Найти наименьший коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке течения пленки.
8.5.По условию задачи 8.4 определить режим течения конденсатной пленки и найти средний по всей высоте стойки коэффициент теплоотдачи.
8.6.В конденсаторе на горизонтальной трубе с наружным диаметром 18 мм конденсируется сухой насыщенный пар при давлении 0,00424 МПа. Найти средний по окружности трубы коэффициент тепло отдачи и количество водяного пара, конденсирующегося за час на 1 м длины трубы, имеющей температуру стенки 10 °С.
8.7.Рассчитать средний коэффициент теплоотдачи, количество сконденсировавшегося пара в час на 1 м трубы, если в условии за дачи 8.6 труба будет расположена вертикально. Сравнить результаты с горизонтальным расположением трубы, если в обоих случаях течение пленки ламинарное.
|
|
|
8.8.Как изменится коэффициент теплоотдачи в условиях задачи 8.6, если: а) давление пара увеличить в 10 раз, a ∆t=ts - tc оставить без изменения, б) диаметр трубы увеличить в 3 раза, в) разность температур ∆t уменьшить в 2 раза, оставив давление пара равным 0,00424 МПа?
8.9.Изготовлен конденсатор с вертикальными медными трубами в количестве 45 шт. По трубам диаметром 22х1 мм и длиной 0,34 м движется вода под давлением с температурой на входе 15 °С и на выходе 110°С. Снаружи на трубах конденсируется сухой насыщенный пар при давлении 3,61*105 Па. Внутри трубы коэффициент теплоотдачи от стенки к воде 2549 Вт/(м2*К). В этом теплообменнике конденсируется 257 кг/ч водяного пара (конденсат не переохлаждается). Определить среднюю температуру стенки трубы и коэффициент теплоотдачи от пара к трубе.
8.10.На наружной поверхности вертикальной трубы диаметром d и длиной l конденсируется сухой насыщенный пар при давлении р. Средняя температура этой поверхности tс. Определить коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара. Во сколько раз изменится коэффициент теплоотдачи, если трубу расположить горизонтально? Найти количество сконденсировавшегося пара при каждом положении трубы, считая, что переохлаждения конденсата нет. Данные для решения задачи взять из таблицы.
8.11. В конденсатор поступает 900 кг/ч перегретого водяного пара, с температурой 120°С. При постоянном давлении 1,013*105 Па он конденсируется на наружных поверхностях труб, по которым течет охлаждающаяся вода в противоположном направлении по отношению ч к пару. Образующийся конденсат переохлаждается на 8 °С при выходе из конденсатора. Наименьшая разность между температурами насыщения и охлаждающей воды в конденсаторе 6 °С. Построить график изменения температур пара и охлаждающей воды по длине конденсатора.
Таблица к задаче 8.10
| Вариант | d, мм | l, м | Вариант | p 10-5, Па | tС°С |
| 1,5 | а | 7,00 | |||
| 2,0 | 4,76 | ||||
| 1,8 | в | 10, СЗ | |||
| 1,6 | г | 6,18 | |||
| 2,0 | д | 12,55 | |||
| 1,2 | е | 7,92 | |||
| 1,4 | ж | 8,92 |
Определить: 1) количество теплоты, отдаваемой паром и конденсатом при охлаждении, если теплоемкость перегретого пара 2 кДж/(кг*К), 2) расход охлаждающей воды и ее температуру на выходе, если на входе она имеет 17°С.
8.12.В конденсатор паротурбинной установки входит сухой насыщенный пар со скоростью 25 м/с при давлении 0,05*105 Па. Конденсатор выполнен из горизонтальных труб с наружным диаметром 20 мм, температура на поверхности труб 22 °С. Определить коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к трубе первого (верхнего) ряда пучка. Проанализировать изменение коэффициента теплоотдачи на первом ряду труб, если скорость пара будет изменяться в пределах от 18 до 50 м/с. Построить график зависимости; коэффициента теплоотдачи от скорости пара с интервалом 10 м/с.
8.13. По условию задачи 8.12. проанализировать изменение коэффициента теплоотдачи на трубе первого ряда, если давление водяного пара будет изменяться в пределах от 0,05*105 до 0,5*105 Па. Скорость пара, равную 25 м/с, и температурный напор между паром и стенкой; трубы принять постоянными. Построить график зависимости коэффициента теплоотдачи от давления пара.
8.14. По условию задачи 8.12. найти средний для первых пяти рядов пучка коэффициент теплоотдачи, если конденсатор выполнен с коридорным (или шахматным) расположением труб. Принять длину труб 6 м, поперечный шаг труб 1,4 d. Поверхность теплообмена рядов одинаковая, давление пара и разность температур (ts - tc) по высоте пучка не меняются.
В конденсаторе 10 горизонтальных рядов труб, расположенных в шахматном порядке с поперечным шагом 26 мм. Наружный диаметр труб 20 мм, длина труб 4 м, температура поверхности труб 20 °С. Как показали измерения, сухой насыщенный водяной пар имеет давление 0,07*105 Па и скорость перед трубами первого ряда 70 м/с. Принять количество труб в рядах одинаковым, давление пара и разность температур ts - tc постоянными по высоте пучка. Определить средний коэффициент теплоотдачи для всего пучка и общее количество сконденсировавшегося пара в расчете на одну трубу каждого ряда
Глава девятая
