Теория тепломассобмена (Леонтьев) (1062552), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Чаще всего работы, проводимые в зтом направлении, носят характер суммарных оценок и не раскрывают всей сложности картины теплообмепа. Правда, в последнее время появляются работы, которые в результате применения современной измерительной аппаратуры и оригинальных лабораторных приемов постепенно раскрывают картину теплообмена при изменении агрегатного состояния, Необходимым условием конденсации пара, если он находится в некритическом состоянии, является наличие либо зоны, либо поверхности (стенкн) с температурой меньшей, чем температура насыщенного пара. В начальный момент соприкосновения пара с холодной поверхностью (стенкой) последняя покрывается мономолекулярным адсорбированным слоем, который в пропессе конденсации либо растет и уплотняется, либо при достижении определенной толщины (порядка микрона) разрывается на большое количество капелек. В дальнейшем идет нх рост и образование новых капелек.
Первый вид конденсации, при котором па поверхности образуется сплошная устойчивая пленка, называется пленочной конденсацией. Второй, когда идет процесс с образованием капелек, — капельной конденсацией. Различие в характере взаимодействия поверхности с конденсатом, как нетрудно представить, обусловливается различием физико-химических свойств сред. 46в Если капля на поверхности твердого тела принимает такую форму, при которой краевой угол а является острым, то в этом случае говорят, что жидкость смачивает доверхность твердого тела. Если же краевой угол будет тупым, то жидкость не смачивает поверхность твердого тела (рис.
ИП.1). Эффект смачивания и несмачивания обусловлен действием сил поверхностного натяжения. При смачива нии поверхностное натяжение между стенкой и паром боль- капли с твердым телом (стен- Рис. ЧП1.1. Смачмваемые (а, е) и песмачпваемые (6, с) ~кадпостыо поверхностно а, 6 — алосаал стеааа! а, в — стенка трубка ше суммы натяжений на гранипах кой) и паром: осг.е > осг.м + ом.а сов а. аст,м > осг.а+ ам.а Сов!э. Условно можно считать, что абсолютное смачивание имеет место при орошении чистого стекла водой, спиртом, бензолом, а абсолютное несмачиваине — при орошении того же стекла рт)(- тью. 4то В предельном случае, когда угол а = О, капля растекается по поверхности стенки тонким слоем. Это явление растекания капли по поверхности называют абсолютным смачиванием.
При сс > 90а (см. рис. ЧП1.1, 6) преобладают поверхностные силы аст.м и пРи а = 180о жидкость собеРетсЯ в каплю. Такое явление называется абсолютным несмачивакием. Поверхностное натяжение на границе твердого тела (стенки) с жидкостью больше суммы натяжений твердого тела и жидкости во взаимодействии с паром: Движение как пленки, так и капель по поверхности происходит либо только за счет гравнтапиопвых спл, если происходит конденсаши неподвижного пара, либо за счет дополнительных спл трения со стороны текущего пара.
Если при пленочном течении различие картины движения обусловливается только толщиной пленки н режимом, то при панельной копденсапин картина может меняться от капельной к струйной, когда движущиеся капли сливаются в сплошные струи, и далее к поточной, сплошь закрывающей стенку (поверхность). В реальных аппаратах помимо отмеченного явления на кондепсадню оказывает влияние состояние поверхности, особенно в начальный период работы, когда на стенках имеются масляные загрязнения. Чаще всего с процессом теплообмепа прн конденсапки встречаются в энергетике при охлаждении отработанного пара турбин, в выпарных опреснительных установках; в химической промышленности в абсорбционных аппаратах (машинах) и т.д. Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации, как показывают опыты, в 5 — 10 раз меньше, чем при капельной, Это обусловливается большим термическим сопротивлением пленки, отделяющей пар от стенки.
Несмотря на то, что тепло- обмен при капельной конденса- т дии более выгоден по сравне- ! нию с пленочным, на практике ЩР ' в основном приходится иметь дело с пленочной конденсадией. яенм нсат са Качественнал схема пленочной конденсации на плоской вертн- !! !(!!! ! с„сс кальной стенке изображена на рис. Ч1П.2. ! ! Теплообмен при переходе вз парообразного состояния в Рпс. ЧП1.3. Качестаеиааа жидкое для случая конденса- схема мама!чаой аоплепсапни па холодной стенке условно ппп па вертикаль®~~ пла.
можно разделить на ряд про- степе стих последовательных явле- еп ний, каждое нз которых оказывает свое влияние на конвчный результат теплообмена: 1. Подвод пара к стенке илн поверхности раздела фаз (пленке) путем молекулярного или мономолекулярного переноса. 2. Сам процесс (явление) конденсации, проясходящий на стенке нли поверхности раздела. 3. Отдача теплоты сконденсированного пара охлаждающей стенке. Скорость подвода пара к холодной поверхности (стенке) можно подсчитать нз уравнения баланса массы на поверхности теплообмена: ю = Ч!гРо~ где д — тепловая нагрузка поверхности; ра — плотность паровой фазы прн параметрах насыщения; т — теплота парообразовання. Формула справедлива для случая конденсации чистых насыщенных паров.
Лля случая конденсации пара, находящегося в смеси с неконденсирующимся газом, подсчет скорости пара, поступающего к поверхности конденсации, необходимо вести с учетом сопротивления, создаваемого нековденснрующимся газом. Процесс конденсапии, происходящий на поверхности раздела фаэ, является результирующим двух процессов: конденсации молекул, ударяющихся о поверхность жидкости и захватываемых ею, и испарения молекул с той же поверхности.
Видимая конденсапия получается в случае превышения количества молекул, связанных в жидкость, над количеством молекул, испускаемых жидкой фазой в пар. Это явление, т.е. его количественное значение, может быть охарактеризовано коэффициентом конденсации /, определяющим долю молекул, удерживающихся на поверхности конденсата из общего числа поступивших на поверхность, Термическое сопротивление передачи теплоты от пара к стенке состоит из термического сопротивления пленкя и термического сопротивления фазового перехода: Т вЂ” Т, = Вб+ Вф~ е о где Т, и Тот — соответственно температура пара и поверхности стенки; е — плотность теплового потока; а — козффидиент теплоотдачн от пара к стенке; Вт — термическое сопротивление пленки конденсата; Вф — термическое сопротивление фазового перехода.
Из элементарной кинетической теории газов можно получить следующее выражение для термического сопротивления фазового перехода: я Ю яээг яя( Ва = Та — Таов (2 — 7)14~ Йо % — Тооа) (УШ.1) Ч юг ~рп/Лй — Раоа(~бпоа) гдв Т„о, — температура поверхности конденсата; у — коэффициент конденсации; Во — газовая постоянная пара; ра и раоа — давления насыщенного пара при Та и Таоа соответственно. Как видно нз графяка, приведенного на рис. УШ.З, термическое сопротивление фазового перехода существенным образом зависят от давления и коэффициента конденсации. Расчет термического м сопротивления фазового перехода затруднен из-за отсутствия достаточно надеж- 8 ных данных о влиянии на него различных параметров процесса конденсации.
Од- Ч пако исследования многих авторов показывают, что в яэ большинстве случаев при ээ давлении ро ) 10 кПа тер- н/ мическим сопротивлением фазового пеРехода можно Ряс. Зг111.в. Влияние аоэффипренебречь по сравнению с пяевта конденсации и давления термическим сопротивлени- пара иа скачок температур о ем пленки конденсата. для ~ — ~ ° пря т = зэ аят/и определения термического 473 сопРотквлевик пленки конденсата Я = (Те — Тст)/4 = 1/а, т.е.
для решения задачи теплообмепа при пленочной конденсации паров, прежде всего требуется определить толщину пленим копдепсата и характер движепия жидкости в пленке. Переходу от ламипарпого течения плевки к турбулентному соответствует определенное значение числа Рейпольдса Ве = %И/ии, где в — толщина пленки в рассматриваемом сечении; 1й — средняя скорость движения пленки в рассматриваемом сечении; ави†кипематическел вязкость жидкости. Чисто ламинарное, слоистое течение, как показывают опыты, сохрапяется только при весьма малых значениях числа Не = 3 ...8.
При больших значениях Не па поверхности плеики появляются волны. Процесс теплообмеиа при волновом движении ламицарпой стехающей пленки представляется достаточио сложным. Попытки аналитического решения волпового движения пленки были сделаны П.Л. Капицей. Оп исходил из представления о двумерном сипусоидальпом характере волнового движевия с амплитудой, которая значительно меньше средней толщины пленки, и длиной волны, значительно превосходящей толщину пленки ве. Было показано, что при волковом движении средпяя толщина плевки меньше, чем при ламинарном. Имеипо этим уменьшением толщины пленки ряд авторов и объясняют увеличение среднего коэффициента теплоотдачи по сравнению с расчетным, вычисленным для случаи гладкой поверхности пленки.
Апалвтическое исследовапве действительно тр~оаерпого неупорядоченного движения пленки жидкости до настоящего времени представляет непреодолимые математические трудности. Поэтому наиболее надежным методом исследоваиия движения плевки и теплообмепа в этих условиях является эксперимент. Однако теоретический анализ упрощенной физической модели процесса теплообмепа при пленочной копдепсапип все же позволяет определить основные параметры п их влияние па процессы теплообмепа. Я=Сг. (ЧП1.2) Если представить расход С как рвИ или р,„юй„где рв — плотность конденсата; Я вЂ” плошадь сечения пленки; 1, — размер стенки (плевки) в направлении, перпепдикулярпом плоскости чертежа, можно записать Я = рвЖб1~г. Но теплоту, переданную копдепсатом стенке прп стаппопарпом процессе, можно определить также через коэффпциевт тепло- отдачи: Я шиЬФг'=УЫх1„ (У1П.З) где а — средиий козффициепт теплоотдачи па длине я; Ь$ = = ц, — Гст — разность температуры между копдепсатом и стенкой; à — площадь поверхности конденсации.
Приравняв правые части последиих уравнений, имеем (ИП.4) грмМ = а Ь4 е, т.е. для пахождвппя передаииой теплоты требуется знать ско- рость ю и толщину плепки в. г111.1.М. Тсвлообмси ври влсиочной иоидеисапии иегюдвижиаео вара ври ламииариом течсиии влсиии во вергвииальиой власвзаис Теория теплоотдачи при пленочной конденсации чистого па сыщеппого пара па вертикальной пластине была создана Нуссельтом.
Задачу решали при опрецелеипых допущепиях. Принимали, что течение жидкости в пленке ламипарпое. Температуру При копдепсацип 1 кг сухого пасышеппого пара от степки иеобходимо отвести теплоту, равную теплоте фазового перехода г. Если же принять во внимание, что средняя температура копдепсата мепьше температуры насыщения, то дополнительно следует отвести некоторое количество теплоты па его переохлаждеиие. Во многих практических расчетах ю-за малости этой теплоты по сравнению с теплотой фазового перехода ею пренебрегают п считают: д'г/ду' = О. (ЧП1.5) Левая часть уравнения (1Ч.17) равна нулю, так как процесс стапионарен и отсутствует конвективный перенос теплоты в пленке, а в правой части равны пулю дз$/дяз и дз~/дхз, так как перенос теплоты в направлении осей Оя и Ох пренебрежимо мая.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
