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.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 804; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!