Теплообмен при конденсации пара

Теплообмен при конденсации пара

Процесс конденсации заключается в том, что пар при определенных условиях может переходить как в жидкое, так и твердое состояние. Процесс конденсации очень часто встречается на практике — в кон­денсаторах паровых турбин, в опреснителях при получении питьевой воды из морей и океанов, в теплообменниках холодильных установок и др.

Конденсация пара всегда связана с отводом теплоты через поверх­ности конденсации и с одновременным отводом образующегося веще­ства — конденсата. Конденсация может происходить только при усло­вии, что температура и давление пара ниже температуры и давления критической точки. Она протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. Конденсация на твердых поверхностях применяется в технике наиболее часто.

■ Если насыщенный или перегретый пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения при данном дав­лении, то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в виде пленки или капель оседает на поверхности и стекает вниз.

В зависимости от состояния поверхности различают два вида кон­денсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсата не смачивается жидкостью (покрыта каким-либо жиром, керосином, нефтяным продуктом и др.) и конденсат осаждается в виде отдельных капелек,   то   происходит   капельная   конденсация.   На  смачиваемой поверхности проходит процесс пленочной конденсации.

Cредний коэффициент теплоотдачи уменьшается с ростом высоты h  (увеличивается толщина пленки конденсата) и температурного напора Δt.

Вывод, приведенный для вертикальной стенки, применим и для наклонной.

Теплоотдача при капельной конденсации пара.

Если конденсат не смачивает поверхность охлаждения, то конденсация пара

приобретает капельный характер. На поверхности образуются

и растут отдельные капли конденсата. Скоростная киносъемка показывает, что рост возникающих капелек в начальный период идет с очень высокой скоростью. Затем по мере увеличения размера капель скорость их роста постепенно снижается. При этом одновременно наблюдается непрерывно идущий процесс взаимного слияния капель. В итоге, когда отдельные капли достигают размера  примерно одного или нескольких миллиметров, они скатываются с поверхности под влиянием силы тяжести. Общая плотность капель на поверхности конденсации увеличивается по мере возраста-

возрастания температурного напора Δt= t_s-t_c. Наблюдения показывают,

что при малых Δt капельки конденсата зарождаются в основном на разного рода микроуглублениях и других элементах неоднородности поверхности (причем в первую очередь на тех, для которых локальные условия смачивания и работа адгезии имеют

повышенное значение).

Следует обратить внимание на то, что коэффициенты теплоотдачи при капельной конденсации имеют очень высокие значения.

Влияние перегрева пара. Если температура  стенки ниже температуры насыщения, то процесс конденсации перегретого пара протекает так же, как и насыщенного.

Перегретый пар сразу становится насыщенным во всем объеме, насыщенным пар становится лишь у стенки по мере  его охлаждения, а вдали от стенки он может и будет оставаться перегретым.  При конденсации перегретого пара необходимо учитывать теплоту перегрева q"_п = i_n— i´´, Дж//кг, и вместо теплоты фазового перехода г в расчетную формулу подставлять значение  r' = r + q"_п, где i_п и i" — энтальпии перегретого и насыщенного пара соответственно.  За разность температур принимают Δt.  = t_s-t_с.

При конденсации перегретого пара температура его у стенки постепенно снижается от зоны перегретого пара с t_пер до температуры насыщенного пара в зоне конденсации t_s. В пристеночной области конденсируется насыщенный пар. Конденсируясь  перегретый пар передает конденсату теплоту парообразования r  и теплоту перегрева с_р(t-t_н). Коэффициенты теплоотдачи перегретого пара ниже, чем для насыщенного пара, тепловой поток немного выше и принимается как для насыщенного пара.

Если в паре содержатся   примеси газа (например, воздуха), скорость конденсации заметно

снижается.  При конденсации пара паровое пространство у поверхности пара как бы сматывается, газы содержавшиеся в паре накапливаются у поверхности и  и затрудняют доступ новых порций пара к поверхности конденсации. у стенки образуется зона с повышенным содержанием газов, через которую молекулы пара проникают лишь путем диффузии. Парциальное давление пара  у поверхности конденсации снижается и соответственно  снижается температурный напор ts—tc, (из-за уменьшения парциального давления пара у поверхности пленки  температура насыщения t_s всегда ниже температуры насыщения при давлении р_о).  

В конденсаторах паровых турбин для отсоса  накапливаемых газов устанавливают струйные насосы  постоянной откачки.

Влияние состояния поверхности. Теплоотдача при конденсации пара зависит от

состояния поверхности. Если поверхность шероховата или покрыта слоем окисла, то вследствие дополнительного сопротивления течению толщина пленки увеличивается, а коэффициент теплоотдачи при этом снижается.  На передачу теплоты  большое влияние также оказывает термическое сопротивление окисной пленки на поверхности.

Влияние скорости и направления течения пара.

Приведенные выше зависимости получены для неподвижного пара или когда скорость его течения мала. При значительных скоростях поток пара оказывает динамическое воз-

воздействие на конденсатную пленку. Если движение пара совпадает с направлением течения пленки, поток пара ускоряет движение  конденсата в пленке, ее толщина уменьшается, и коэффициент  теплоотдачи возрастает. При движении пара снизу вверх против гравитационных сил течение пленки тормозится, толщина ее увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается . Это справедливо  до тех пор, пока динамическое

воздействие пара не превысит силу тяжести. После этого пленка пара увлекается вверх и частично срывается с поверхности. При  этом с увеличением скорости пара коэффициент теплоотдачи вновь  растет.

Влияние компоновки поверхности нагрева.

При проектировании конденсационных устройств большое внимание должно уделяться правильной компоновке поверхности нагрева. Теплоотдача на горизонтальных трубах  более  интенсивна, чем на вертикальных, так как меньше толщина пленки конденсата. Это справедливо лишь для одной трубки или для верхнего ряда в пучке. В многорядных  пучках конденсат с верхних рядов стекает на нижние, поэтому поэтому  пленка  в нижних рядах получается более толстой.  При конденсации пара на многорядном пучке необходимо учитывать влияние скорости движения пара  в зазорах между трубами,  которая может изменять характер стекания конденсата.

Для вертикальных трубок  среднее значение теплоотдачи можно увеличить путем установки по высоте трубы конденсатоотводных колпачков , срывающих стекающую пленку конденсата.  Установка таких колпачков через каждые 10 см на трубе высотой h = 3 м увеличивает среднее значение коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза.

Конденсация пара в трубах.

7 Численное дифференцирование - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

По мере прохождения по трубе пар постепенно конденсируется и на стенках образуется пленка конденсата. При этом расход пара G" и его скорость  в связи с уменьшение массы пара уменьшаются 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. 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 более высокая, 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.