4. Теплообмін при фазових перетворюваннях

Лабораторна робота 4

Дослідження тепловіддачі при конденсації водяної пари на поверхні горизонтальної труби

Мета роботи: ознайомлення з методикою експериментального дослідження інтенсивності теплообміну при конденсації нерухомої чистої насиченої водяної пари на поверхні горизонтальної труби, а також процесу теплопередачі між парою і охолодною водою. Установлення залежності коефіцієнта тепловіддачі при конденсації пари від температурного напору і порівняння отриманої залежності з літературними даними.

Короткі відомості з теорії

Пара конденсується, тобто переходить в рідкий стан, на поверхні теплообміну, температура якої нижча за температуру насичення , віддаючи поверхні теплоту пароутворення. Розрізняють краплинну конденсацію, коли конденсат, що утворюється, не змочує поверхню і скочується у вигляді окремих крапель, наприклад ртуть на сталевій стінці, і плівкову конденсацію, коли конденсат змочує поверхню і утворює суцільну плівку. Плівкова конденсація зустрічається значно частіше. При краплинній конденсації тепловіддача може бути у 5 … 10 разів вище, ніж при плівковій, бо плівка конденсату створює значний термічний опір передачі теплоти від пари до стінки.

На рис. 4.1, а показано, як формується плівка конденсату, що стікає униз по вертикальній поверхні під дією сили тяжіння. Товщина плівки збільшується внаслідок конденсації пари на її поверхні. Режим течії плівки залежить від значення числа Рейнольда:

,

де – середня швидкість плівки у перерізі, що розглядається; – товщина плівки; та – відповідно коефіцієнти кінематичної та динамічної в’язкості конденсату; – витрата конденсату у розрахунку на одиницю ширини плівки, кг/(м · с).

На горизонтальній трубі утворення плівки конденсату відбувається з двох сторін криволінійної поверхні, тому

, (4.1)

де – довжина труби.

Число Рейнольда збільшується донизу разом з витратою конденсату . Ламінарна течія з гладкою поверхнею плівки спостерігається при . В інтервалі ламінарна течія супроводжується утворенням хвиль на поверхні плівки (ламінарно-хвильовий режим), що зменшує її середню товщину. Коли число Рейнольдса перевищує критичне значення, яке приблизно дорівнює 400, спостерігається перехід до турбулентного режиму. Оскільки при цьому у верхній частині стінки є ділянка ламінарної течії, такий режим для поверхні в цілому називають змішаним.

По нормалі до ламінарної плівки теплота передається теплопровідністю, а через плівку, що стікає турбулентно, – ще й турбулентними пульсаціями. Інтенсивність теплообміну при конденсації визначається термічним опором плівки конденсату .

Зменшення місцевого коефіцієнта тепловіддачі донизу по поверхні в зоні ламінарної течії (рис. 4.1, б) пояснюється зростанням товщини плівки. Така ж причина зменшення зі збільшенням температурного напору . При турбулентному режимі коефіцієнт тепловіддачі зростає донизу внаслідок підвищення інтенсивності турбулентного переносу у плівці.

Теорія плівкової конденсації Нусельта грунтується на таких основних передумовах: течія конденсату ламінарна; сила інерції, пов’язана з прискоренням руху плівки, знехтувано мала у порівнянні з силами в’язкості та тяжіння; тертя між плівкою і парою відсутнє; температура зовнішньої поверхні плівки дорівнює температурі насиченої пари; перенесення теплоти лімітується термічним опором плівки; фізичні параметри конденсату постійні. Для кращого погодження теорії з експериментом уводять поправки на інтенсифікуючу дію хвильового руху плівки ( ) і зміну фізичних параметрів конденсату в залежності від температури ( ).

Для розрахунку середнього коефіцієнта тепловіддачі при конденсації сухої насиченої нерухомої пари на горизонтальній трубі ( ) використовують формулу Нусельта при віднесенні усіх фізичних властивостей до температури насичення та введенні поправки [1, 3, 6]

, (4.2)

де і – відповідно густина конденсату і пари, кг/м³; – коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт/(м · К); – питома теплота пароутворення, Дж/кг; – прискорення вільного падіння, м/с²; – зовнішній діаметр труби, м.

Поправка визначається за формулою

,

де і вибирають для конденсату при температурі насичення , а і – при температурі стінки .

При конденсації на горизонтальній трубі хвильовий та турбулентний рух у плівці конденсату на практиці не виникає внаслідок малої протяжності поверхні по висоті. Якщо критерій фазового перетворення > 5 теплотою переохолодження конденсату можна знехтувати, а розходження між результатами точного розв’язання і значеннями коефіцієнта тепловіддачі за формулою (4.2) становить лише кілька процентів.

Значний вплив на коефіцієнт тепловіддачі при конденсації спричинює швидкість потоку пари і наявність в ній газів, що не конденсуються. Якщо рух пари збігається з напрямком течії плівки, потік пари прискорює рух конденсату у плівці, її товщина зменшується, і коефіцієнт тепловіддачі зростає. При русі пари у зворотному напрямку течія плівки гальмується, її товщина збільшується, а коефіцієнт тепловіддачі зменшується.

При наявності у парі газів (наприклад, повітря), що не конденсуються, тепловіддача при конденсації знижується. Це відбувається тому, що на холодній стінці конденсується тільки пара, а повітря залишається. При відсутності конвекції з часом повітря накопичується біля стінки і створює значну перешкоду надходженню пари до стінки.

При проектуванні конденсаційних пристроїв слід приділяти увагу правильному компонуванню поверхонь нагріву з метою зменшення товщини плівки конденсату.