Влияние примесей неконденсирующихся газов

Наличие в паре неконденсирующегося газа затрудняет доступ пара к поверхности конденсации. В результате скорость конденсации уменьшается. Будем полагать, что стенка непроницаема. Ее температура t_с ниже температуры основной массы парогазовой смеси t_п0. По стенке течет пленка образовавшегося конденсата.

Распределение концентраций и температуры при конденсации пара из парогазовой смеси

Общее количество теплоты, передаваемой поверхности пленки, равно:

(14.1)

где —коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к пленке конденсата. Пар, достигший поверхности раздела фаз, конденсируется. При этом выделяется теплота фазового перехода

(14.2)

Теплота фазового перехода вместе с теплом, переданным конвективной теплоотдачей, переносится к твердой стенке, на которой находится конденсированная фаза. Перенос теплоты через движущуюся пленку конденсата определяется конвективным теплообменом, описанным ранее (Лекция №13). Твердой стенке передается и некоторая теплота переохлаждения конденсата относительно t_пов так как температура по толщине пленки изменяется от t_пов до t_c. Большей частью теплота переохлаждения конденсата невелика и во многих расчетах ею можно пренебречь. Тогда при стационарном режиме плотность теплового потока можно считать неизменной по толщине слоя конденсированной фазы. Пренебрегая переохлаждением конденсата, плотность теплового потока на стенке можно описать следующим уравнением:

(14.3)

При расчете q_c часто используют уравнение

,

(14.4)

где _см — коэффициент теплоотдачи, отнесенный к разности температур стенки и пара (парогазовой смеси) вдали от поверхности конденсации.

Коэффициент теплоотдачи _см является сложной величиной, учитывающей различные термические сопротивления. Суммарное термическое сопротивление

(14.5)

можно расчленить на термическое сопротивление конденсата R_k; термическое сопротивление фазового перехода R_ф и термическое сопротивление подвода теплоты (пара) к поверхности конденсации (диффузионное термическое сопротивление) R_д

.

(14.6)

Этим термическим сопротивлениям соответствуют температурные разности Δt_k, Δt_ф и Δt_д (смотри рисунок выше), причем

.

(14.7)

Тогда для расчета q_c получают уравнение

.

(14.8)

Во многих задачах R_ф много меньше, чем R_k и R_д, что позволяет пренебречь термическим сопротивлением фазового перехода (т.е. полагать t_п,пов=t_ж,пов). Пренебрегая скачком температур Δt_ф, температуру поверхности конденсата t_пов (t_ж,пов) можно рассматривать, как температуру насыщения пара при давлении насыщения p_п,пов.

Тогда

.

(14.9)

Значения R_k или _k могут быть определены по формулам, приведенным для конденсации сухого насыщенного пара на поверхности жидкости. Диффузионное термическое сопротивление определяется как:

(14.10)

Коэффициент теплоотдачи должен быть определен с учетом сопутствующего процесса массообмена. Из уравнения следует, что коэффициент теплоотдачи _см зависит от интенсивности взаимосвязанных процессов тепло- и массообмена в парогазовой смеси и в пленке. Для расчета коэффициента _см необходимо предварительно определить коэффициент массоотдачи β. Средний коэффициент массоотдачи при пленочной и капельной конденсации пара на горизонтальной трубе из паровоздушной смеси, практически неподвижной на большом удалении от трубки, может быть определен по формуле

,

(14.11)

где

.

(14.12)

R_т - радиус трубки (поверхности конденсата); R₀ — радиус, при котором берется концентрация газа на удалении m_г0. Индекс «пов» соответствует поверхности конденсата. Формула получена применительно к условиям, когда при фиксированном значении R₀ много больше, чем R_т параметры парогазовой смеси однородны. Формулой учитываются как стефанов поток, так и свободная конвекция.

При

.

(14.13)

При Gr≤8 можно принять ψ=1 (свободная конвекция не влияет). В формулу подставляются физические параметры парогазовой смеси, взятые по температуре t_п0. Практически важной задачей является процесс тепломассообмена при пленочной конденсации пара из движущейся паровоздушной смеси на горизонтальных одиночных трубах и трубах, собранных в пучок. Тепло- и массоотдача при названных условиях исследовались в ряде работ. В опытах паровоздушная смесь поступала к одиночной горизонтальной трубе и пучку горизонтальных труб сверху. Давление паровоздушной смеси р изменялось от 0,0627 до 0,089МПа; начальное содержание воздуха в водяном паре ε_г0=p_г0/p=0,01÷0,56. Получено, что средний коэффициент массоотдачи определенного ряда труб при Re=350÷4800 может быть рассчитан по уравнению:

,

(14.14)

где для одиночной трубы с=0,47, для первого рада пучка с=0,53, для третьего и последующих рядов с=0,82. Здесь

.

(14.15)

Ниже на рисунке данные, полученные по формуле для одиночной трубы сопоставлены с опытными данными.

Массоотдача при конденсации пара из движущейся парогазовой смеси на одиночной трубе (р≈0,09×105 и 0,8×105Па) О — экспериментальные данные; сплошная черта - расчёт по формуле.   Массоотдача существенно снижается с увеличением содержания воздуха в паре. При Re=40÷350, для труб пятого ряда получена формула:   . (14.16) В приведенных формулах число Рейнольдса подсчитывается по скорости парогазовой смеси перед трубой или рядом труб, определяющим размером является внешний диаметр труб; физические параметры смеси определяются по состоянию паровоздушной смеси перед трубой или рядом труб. Коэффициент вязкости смеси подсчитывается по уравнению: .   (14.17)   где μп и μг - соответственно коэффициенты динамической вязкости пара и воздуха. Формулы получены в опытах с шахматным пучком. Поперечный относительный шаг был равен 1,475, продольный 1,275. В расчетной практике эти формулы в первом приближении распространяются и на пучки с другими шагами. При условиях опытов количество теплоты, передававшейся от смеси к поверхности пленки конденсата путем конвективной теплоотдачи, а также теплота переохлаждения конденсата были весьма малы сравнительно с теплотой фазового перехода, и ими можно пренебречь. Значение tпов, по которому вводят в расчет рп,пов, определяется путем последовательного приближения. При этом используется уравнение . (14.18)