Теплообмен при пленочной конденсации движущегося пара в трубах. (ламинарное и турбулентное течение пленки конденсата).

При конденсации в трубах паровой объем ограничен стенками трубы. Трубы могут быть достаточно длинными, и в них может конденсироваться большое количество пара. Возникает направленное движение пара, причем скорости последнего могут быть, очень велики (до 100 м/с и более). При этом силы трения на границе между паром и конденсатом могут быть значительными. Если направление движения пара совпадает с направлением течения конденсата под действием сил тяжести, то вследствие трения течение пленки убыстряется, толщина ее уменьшается, и коэффициент теплоотдачи увеличивается. Если направление движения пара противоположно направлению течения конденсата, то пленка может замедляться; тол­щина ее при этом увеличивается, а теплоотдача уменьшается. Повышение скорости пара может привести к тому, что пленка будет увлечена паром и частично сорвана с поверхности стенки. Теплоотдача при этом увеличивается. В зависимости от величин сил тяжести и сил трения можно различать три основных случая:1) силы тяжести существенно преобладают над динамическим воздействием пара, и последний можно считать практически неподвижным; 2) силы тяжести и силы динамического воздействии пара на пленку соизмеримы; 3) динамическое воздействие пара на пленку конденсата преобладает над силами тяжести; при этом конденсат движется, увлекаемый паром, и теплоотдача практически не зависит от положения трубы в пространстве. Между этими режимами нет резкой границы.При конденсации в трубах скорость пара не остается постоянной, так как вдоль течения расход пара убывает (но возрастает расход конденсата). Наибольшую величину скорость пара имеет на входе в трубу. Ее среднее значение на входе может быть достаточно просто вычислено, если в трубу втекает сухой насыщенный пар, который полностью конденсируется в ней. Как следует из соотношения (12.26)в котором теплота переохлаждения конденсата не учитывается, средняя скорость пара на входе будет: (12.27)здесь d и l — внутренний диаметр и длина трубы.По мере конденсации пара часть поперечного сечения трубы заполняется конденсатом, причем средние скорости пара и жидкой фазы различны.В расчетах удобно оперировать постоянными и заданными значениями скорости. Такой величиной может являться так называемая скорость циркуляции w_ц, определяемая следующим образом: (12.28)здесь G_см=G_П+G_ж — суммарный массовый расход пара и конденсата.Скорость w_П является условной величиной. Она равна действительной скорости потока только в том сечении, где конденсат полностью заполняет поперечное сечение трубы, т. е. где G_см=G_ж и С_п = 0.В зависимости от условий процесса пар может сконденсироваться в трубе как полностью, так и частично. При полной конденсации скорость пара на выходе из трубы равна нулю и выпар отсутствует. Если труба достаточно длинная и процесс, конденсации достаточно интенсивен, то в концевой части трубы все ее сечение может быть заполнено конденсатом.Течение конденсата и пара может быть как ламинарным, так и турбулентным. На входе в трубу течение пара может быть турбулентным. По мере конденсации пара скорость его уменьшается, и турбулентное течение может перейти в ламинарное. Если происходит полная конденсация, в конце участка конденсации аксиальная скорость пара будет равна пулю. В то же время расход конденсата вдоль трубы не­прерывно увеличивается и течение конденсата может перейти в турбулентное. При определенных условиях может иметь место и срыв капель с поверхности пленки.Ламинарное течение кленки конденсата. На рис. 12-9 представлены результаты проведенного на опытного исследования теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара в вертикальной трубе. Вход пара сверху. График рис. 12-9 показывает зависимость относительных коэффициентов теплоотдачи a_x/a_{0 x} от где ; ; ; —средняя в сечении х скорость пара. Физические параметры пара и конденсата, что соответственно обозначено индексами «п» и «ж», выбирались по температуре насыщения.Рис. 12-9. Теплоотдача при конденсации водяного пара в вертикальной трубе; ламинарное течение пленки конденсата.Коэффициенты теплоотдачи a_х являются средними на сравнительно небольших участках трубы, что в первом приближении позволяет считать их местными. Значения a_{0 х} вычислялись по формуле для практически неподвижного пара, конденсирующегося на вертикальной стенке.Относительный коэффициент теплоотдачи может быть вычислен по формуле (12.29)Вид уравнении (12-29) определялся теоретически при некоторых упрощающих предположениях, а постоянные уточнялись по данным опытов с водяным паром примерно атмосферного давления. Числа Re_Пd изменялись в опытах от 1800 до 17×10³, этому соответствовала скорость пара от 3,6 до 33,5 м/с. Температурный напор изменялся от 8 до 60 К.При y £ 35 расчет можно вести по формулам для неподвижного пара. Турбулентное течение конденсата. В теоретических и экспериментальных исследованиях изучалась теплоотдача при преобладающем влиянии сил трения пара. В качестве основы теоретического исследования была использована аналогия между теплообменом и сопротивлением трения; в результате была получена полуэмпирическая формула, описывающая местные коэффициенты теплоотдачи: (12.30)где х—массовое расходное паросодержание в рассматриваемом сечении.

Вес физические параметры выбираются по температуре насыщения. Индексы «ж» и «п» обозначают, что данная величина является физическим параметром соответственно жидкости и пара.Если Re_цdн > 5×10³, угол наклона трубы не оказывает влияния на интенсивность теплоотдачи. Это свидетельствует о преобладающем влиянии динамического воздействии пара по сравнению с силами тяжести.

27. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПЛЕНОЧНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПАРА НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ОДИНОЧНЫХ ТРУБАХ И ПУЧКАХ ТРУБ. Была рассмотрена теплоотдача при конденсации неподвижного пара на наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы, теплоотдаче при конденсации движущегося пара. Результаты опытов представлены на рис. 12-11 в виде зависимости Здесь — опытный коэффициент теплоотдачи при конденсации движущегося пара; — коэффициент теплоотдачи, вычисленный по формуле Нуссельта (12-21) для неподвижного пара; , где — средняя скорость пара в суженное сечении канала; d — наружный диаметр трубы. Как следует из рис. 12-11, теплоотдача увеличивается по мере увеличения числа Re_П.В результате обобщения опытных данных была получена формула для среднего коэффициента теплоотдачи: (12.31)Физические параметры конденсата, входящие в эту формулу, выбираются по температуре насыщения. Из последнего уравнения следует, что при движущемся паре коэффициент теплоотдачи слабее зависит от температурного напора, чем при неподвижном: при неподвижном паре a ~ Dt^-0,25, при движущемся a ~ Dt^-0,125. Конденсационные аппараты, как правило, имеют не одну трубку, а пучок труб. Трубы в пучке обычно размещаются в шахматной или ко­ридорном порядке. Процессы конденсации па наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы и таких же труб, но собранных в пучок, различны. В случае чистого пара различие обусловлено двумя факторами: уменьшением скорости пара при его движении в пучке из-за частичной конденсации и увеличением толщины конденсатной пленки за счет последовательного стекания конденсата с трубки на трубку.Уменьшение скорости пара по мере его продвижения через пучок приводит к последовательному уменьшению теплоотдачи при возрастании номера ряда. К такому же эффекту приводит и сток конденсата с верхних труб на нижние. Однако сток конденсата в горизонтальном пучке имеет отличие от стока по непрерывной вертикальной стенке.Конденсат стекает с трубки не в виде сплошной пленки, а отдельными каплями или струйками. Капли, попадая на нижележащую трубку, с одной стороны, временно утолщают пленку в месте падения, растекаясь затем по ее поверхности, с другой — возмущают течение пленки, что может способствовать появлению волнового или даже турбулентного режима движения. Места отрыва и падения капель все время перемещаются вдоль трубки. Это перемещение усиливается, если трубка имеет хотя бы небольшой наклон. В этом случае волнообразная струя конденсата передвигается вдоль нижней части трубки. Такой характер стекания конденсата приводит к тому, что некоторое увеличение термического сопротивления за счет утолщения слоя конденсата в значительной части компенсируется возникающими при стоке возмущениями.

Влияние конденсата, натекающего сверху на данную трубку, может быть учтено параметром где — суммарное количество конденсата, стекающего по трубе n-го ряда; G_n — количество конденсата, образующегося на рассматриваемой трубе (i—n). Здесь п — число рядов труб по высоте коридорного пучка или половина числа рядов труб по высоте шахматного пучка.

Опытным путем получено: (12.32)здесь — средний коэффициент теплоотдачи n-го ряда, приведенный к скорости пара и температурному напору в первом ряду труб: — средний коэффициент теплоотдачи первого ряда. Если трубный пучок имеет одинаковое сечение по всей его высоте и пар в нем течет сверху вниз, то теплоотдачу можно рассчитать, используя формулы (12-31) и (12-32). Полагая, что температурный напор и давление пара не изменяются по высоте трубного пучка, получена приближенная формула для определения среднего для всего пучка коэффициента теплоотдачи : (12.33)В формуле (12-33) — относительный коэффициент теплоотдачи первого ряда, вычисляемый по уравнению (12-31); п-—число рядов труб по высоте коридорного пучка или половина числа рядов труб по высоте шахматного пучка; e=(G_ВX—G_BЫХ)/G_BХ — степень конденсации пара; здесь G_BХ и G_BЫХ — массовые расходы пара на входе и на выходе из пучка.