26. Теплоотдача при плёночной конденсации движущегося пара.

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; подобного рода задачи были рассмотрены в предыдущем параграфе;

2. силы тяжести и силы динамического воздействия 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.

Конечно, 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 в котором теплота переохлаждения конденсата не учитывается, средняя скорость пара на входе: где d и   - 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 ω_ц, определяемая следующим образом: где G_см=G_п+G_ж - суммарный массовый  расход пара и конденсата. Скорость ω_цявляется 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 G_п=0. В зависимости от условий процесса пар может сконденсироваться в трубе как полностью, так и частично. При полной конденсации скорость пара на выходе нз 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 нулю. 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. Сочетание перечисленных условий делает задачу о теплообмене при конденсации пара в трубе очень сложной и затрудняет строгое и полное решение. К настоящему времени в этой области имеется много невыясненных вопросов. В частности, не ясны границы различных режимов. Многие исходные положения, используемые в теоретических решениях, недостаточно проверены опытами и т. п. Ввиду этого конкретные сведения о рассматриваемом процессе и расчетные рекомендации, которые в дальнейшем приводятся в настоящем параграфе, довольно ограничены.

Ламинарное течение пленки конденсата. На рис. 12.9 представлены результаты проведенного на кафедре ТОТ МЭИ опытного исследования теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара в вертикальной трубе. Вход пара сверху. 

увеличить масштаб

Рис. 12.9. Теплоотдача при конденсации водяного пара в вертикальной трубе; ламинарное течение пленки конденсат График рис. 12.9 показывает зависимость относительных коэффициентов теплоотдачи  _x/_{0 x} от  - средняя в сечении х скорость пара. Физические параметры пара и конденсата, что соответственно обозначено индексами «п» и «ж», выбирались по температуре насыщения. Коэффициенты теплоотдачи  _x являются средними на сравнительно небольших участках трубы, что в первом приближении позволяет считать их местными. Значения  _0x вычислялись по формуле для практически неподвижного пара, конденсирующегося на вертикальной стенке. Относительный коэффициент теплоотдачи может быть вычислен по формуле Вид уравнения (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 60К. При ψ≤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: где х - массовое расходное паросодержанне в рассматриваемом сечении. Среднее значение коэффициентов теплоотдачи для режима неполной конденсации пара из пароводяной смеси определяется формулой где х₁ и х₂ - массовые расходные паросодержания во входном и выходном сечении рассматриваемого участка трубы: x₁=(G_п/G_см)_вх и x₂=(G_п/G_см)_вых. Для стальных труб с=0,024, для латунных с=0,026, для медных с=0,032, В формулах (12.30) и (12.31) Все физические параметры выбираются, по температуре насыщения. Индексы «ж» и «п» по-прежнему обозначают, что данная величина является физическим параметром соответственно жидкости и пара. Уравнения (12.30) и (12.31) получены для общего случая, когда 1≥x₁>0 и 1>x₂≥0. В зависимости от значений x₁и х₂ можно выделить частные режимы: а) х₁=1; x₂=0 — полная конденсация сухого пара в трубе; б) х₁=1; 1>x₂>0— частичная конденсация пара; в) 1>x₁>0; x₂=0 — полная конденсация пара из пароводяной смеси, поступившей в трубу. При x₁=x₂=0 формулы (12.30) и (12.31) принимают структуру уравнений, используемых при расчете теплообмена однородных жидкостей. На рис. 12.10 формула (12.31). сопоставлена с опытными данными. Опытные данные получены при Re_цdн>5×10³; Рr_жн≈1; 1>х₁>0; 1>х₂>0; р_п=1,22÷8,82МПа.

Рис. 12.10.  Теплоотдача  при конденсации водяного пара в трубе в условиях турбулентного течении конденсата • - d=16мм; ο - d=20мм Если Re_цdн>5×10³, угол наклона трубы не оказывает влияния на интенсивность теплоотдачи. Это свидетельствует о преобладающем влиянии динамического воздействия пара по сравнению с силами тяжести.   Для случая конденсации водяного пара в вертикальной трубе и его движения сверху вниз применимость формулы (12.31) была подтверждена до Re_цdн≥10³  При конденсации движущегося пара в трубе значение критического числа Рейнольдса конденсатной плёнки Re_жkp= x_kp/rμ_ж может быть принято примерно равным 200. Очень сложен процесс теплоотдачи при конденсации в горизонтальных трубах слабо движущегося пара, когда необходимо учитывать и силы тяжести, и силы трения. Эта задача приближенно решалась в некоторых работах. Полученные формулы достаточно сложны, так как приходится учитывать то обстоятельство, что конденсат течет как вдоль трубы, так и по ее окружности. При этом режимы течения пара и конденсата на различных участках трубы могут быть неодинаковыми. В то же время отсутствуют данные для определения границ участков с различными режимами течения пленки. Все эти особенности процесса существенно затрудняют получение точных зависимостей.