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.