Теплообмен при конденсации водяного пара

Конденсация насыщенного пара на твердой поверхности теплообмена происходит, если температура поверхности меньше температуры насыщения при давлении в паровом объеме. Тип конденсации, когда жидкая фаза образуется на поверх­ности теплообмена в виде устойчивой пленки, называется пленочной конденсаци­ей. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает поверхность. Другим типом конденсации является капельная конденсация, когда сконденсированная фаза не смачива­ет поверхнос­ть теплообмена и образует на ней капли. В энергетических теплообменных аппаратах при установив­шемся режиме работы конденсат, как правило, смачивает поверхность теплообме­на и происходит пленочная конденсация.

Основным препятствием интенсификации теплообмена при конденсации явля­ется пленка жидкости, образующаяся на поверхности теплообмена. При проектировании теплообменных аппаратов с конденсацией организация отвода жидкости и поддержание минимальной толщины пленки конденсата является основной про­блемой. Толщина пленки конденсата зависит от геометрической формы и состояния по­верхности, вязкости и плотности конденсата, а также массовой скорости оттока конденсата с поверхности теплообмена.

Термическое сопротивление передаче теплоты от конденсирующегося пара к стенке, согласно [6], можно представить в следующем виде:

(6)

где R_к термическое сопротивление пленки конденсата, (м²∙К)/Вт;

α_п коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубки, Вт/(м²∙К);

Т_п, Т_ст температура пара и поверхности стенки соответственно, К;

q удельный тепловой поток, Вт/м²; при конденсации сухого насыщенного пара удельный тепловой поток:

r теплота фазового перехода, Дж/кг;

G количество конденсата, образовавшееся в единицу времени, кг/с;

F площадь поверхности конденсации, м².

Термическое сопротивление конденсатной пленки зависит от толщины плен­ки и режима ее течения. Через текущую в ламинарном режиме пленку теплота переносится теплопроводностью, а через турбулентную — дополнительно еще и конвекцией. Переход от ламинарного течения пленки к турбулентному определяют по значе­нию числа Рейнольдса пленки:

(7)

где w средняя скорость течения пленки конденсата в рассматриваемом попереч­ном сечении, м/с;

δ толщина пленки конденсата в этом же сечении, м;

v кинематическая вязкость конденсата, м²/с.

Опытные данные [6] показывают, что при конденсации неподвижного пара на вертикальной поверхности теплообмена переход к турбулентному течению плен­ки конденсата происходит при критическом числе Рейнольдса: .

Интенсивность теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара выражается коэффициентом теплоотдачи. При пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке в случае ламинарного течения пленки коэффициент теплоотдачи определяется по формуле Нуссельта:

(8)

Коэффициент теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубке в усло­виях ламинарного течения пленки конденсата выражается следующей формулой, полученной В. Нуссельтом [6]:

(9)

где плотность, теплопроводность и динамическая вязкость конденсатной пленки, определяемые по средней температуре пленки конденсата, равной полусумме температуры насыщения и температуры стенки,

h высота стенки;

d_н наружный диаметр трубки.

Решение Нуссельта было получено в предположении постоянства физических параметров конденсата по высоте стенки и не учитывает волнообразования в пленке. Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи к значению а_nпозднее были введены поправки:

(10)

где средний коэффициент теплоотдачи при конденсации неподвижного пара;

α_n коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по зависимости (8);

-поправка, учитывающая влияние температуры на физи­ческие параметры конденсатной пленки;

поправка на волнообразование в пленке конденсата;

Pr_н, Pr_cm числа Прандтля для конденсатной пленки, рассчитанные по температуре насыщения и тем­пературе стенки соответственно.

В условиях турбулентного режима течения пленки конденсата (числа Рейнольдса в пределах 250 < Re_к < 600[6]) теплоотдача про­исходит более интенсивно, поскольку кроме молекулярной теплопроводности пе­ренос теплоты осуществляется еще и за счет турбулентных пульсаций. При кон­денсации пара на вертикальной стенке в верхней ее части пленка стекает ламинарно, затем на части поверхности устанавливается режим волнового течения и в ниж­ней части стенки, в некотором сечении Х_кр по ее высоте, происходит переход к турбулентному течению.

Если число Рейнольдса конденсатной пленки значительно превышает крити­ческое значение, соответствующее переходу ламинарного течения в турбулентное, то средний коэффициент теплоотдачи определится из выражения

(11)

Для развития волнового течения конденсатной пленки на горизонтальной труб­ке необходим определенный участок течения протяженностью в несколько длин волн. Поэтому на трубках небольших диаметров волновое течение не успевает развиться. Учитывая это обстоятельство, поправку на волнообразование в пленке конденсата при конденсации водяного пара следует вводить только тогда, когда диаметр трубки удовлетворяет условию: d_н> 50мм.

Необходимо иметь в виду, что зависимость (9) получена с рядом следующих допущений: пар насыщенный; течение пленки конденсата ламинарное; температура стенки постоянна; в пленке вся теплота передается только теплопроводностью, конвективный перенос отсутствует; и др. [6].

Действительные условия конденсации пара в конденсаторах существенно отличаются от принятых Нуссельтом, поэтому формула (9) не может быть непосредственно использована для расчета конденсаторов. Конденсация движущегося пара происходит с большей интенсивностью, чем конденсация неподвижного пара, за счет динамического воздействия парового потока, ускоряющего волнообразование в пленке конденсата.

На характер течения пленки конденсата оказывает влияние и вибрация трубок, которая возникает в теплообменных аппаратах под воздействием различного рода динамических нагрузок. Колебания трубок в зависимости от интенсивности вибрации могут либо подтормаживать пленку конденсата и удерживать ее на поверхности, тем самым увеличивая ее толщину и уменьшая теплоотдачу, либо сбрасывать пленку с трубки, способствуя увеличению интенсивности теплообмена.

Многочисленные экспериментальные исследования позволили получить формулы, учитывающие влияние перечисленных факторов на теплоотдачу с паровой стороны в теплообменных аппаратах с горизонтальным трубным пучком.

Конденсация в пучках труб характеризуется большой скоростью пара. Однако, по мере прохождения пара через трубный пучок его скорость из-за конденсации непрерывно падает. Это приводит к последовательному уменьшению теплоотдачи от ряда к ряду. Дополнительные трудности вносятся влиянием стока конденсата в нижнюю часть пучка, из-за чего увеличивается толщина пленки конденсата на нижележа­щих трубках и часть поверхности теплообмена может быть залита полностью. Визуальные наблюдения за течением конденсатной пленки показывают, что стекание конденсата с трубок происходит дискрет­но, в виде периодически образующихся отдельных капель, отрыв которых вызыва­ет пульсации (и, следовательно, турбулизацию) конденсатной пленки на трубках. При натекании конденсата на нижележащую трубку вместе с ним передается и определенное количество движения, в результа­те чего негативный эффект заливания конденсатом нижележащей трубки ослабля­ется ввиду ускорения пленки и ее турбулизации.

Влияние натекания конденсата на теплообмен в многорядном горизонталь­ном пучке трубок имеет существенное значение лишь при неподвижном или мед­ленно движущемся паре. При достаточно большой скорости пара влияние воздей­ствия парового потока является определяющим. Комплексное влияние на теп­лоотдачу при конденсации пара на пучке горизонтальных трубок большого числа факторов не позволяет получить однозначную зависимость относительного коэф­фициента теплоотдачи от номера трубки, относительного расхода натекающего конденсата и количества рядов по высоте пучка.

В теплообменных аппаратах, работающих при давлениях пара ниже баромет­рического, процесс теплообмена происходит при наличии в паре воздуха. Этот фактор существен­но снижает интенсивность теплоотдачи из-за дополнительного сопро­тивления воздуха, скапливающегося вблизи поверхности трубки и затрудняющего контакт холодной поверхности конденсации с паром. Учет влияния перечисленных выше факторов на интенсивность теплоотдачи при рас­чете конкретных аппаратов осуществляется применением эмпирических формул различного вида, полученных в результате многочисленных экспериментальных исследований.