Розробити та запроектувати вимірювальний канал для автоматичного контролю витрати води в теплообмінному апараті, страница 10

4.2 Тепловіддача при конденсації пари

При контакті парогазоподібного теплоносія з холодною поверхнею може відбуватися плівкова, краплинна та змішана конденсація.

Краплинна конденсація пари відбувається на холодних поверхнях, що не змочуються плівкою конденсату або через фізичні властивості конденсованого середовища або при періодичному додаванні спеці-альних гідрофобних речовин до пари, що конденсується. При краплинній конденсації водяної пари на вертикальних поверхнях питомий тепловий потік може досягати величин q=(40-600)·103 Вт/м2, а коефіцієнт тепловіддачі відповідно величини αк= (30–50)·103 Вт/(м2.К). Хоча швидкість тепловіддачі при краплинній конденсації на порядок вища, ніж у процесах плівкової конденсації, практично цей процес використовується обмежено.

Плівкова конденсація є найпоширенішим процесом у теплообмінних апаратах, при цьому конденсат у вигляді тонкої плівки утворюється на поверхні теплообміну й рухається по ній з певною швидкістю. Товщина шару плівки, що утворилася, залежить від орієнтації поверхні (горизон-тальна, вертикальна або похила), від форми поверхні (плоска, трубчаста або фігурна), від гідродинамічного режиму руху плівки та ін. Питома теплота конденсації, що виділяється в процесі, передається через плівку конденсату та роздільну тверду стінку холодному теплоносієві. Най-більший термічний опір тепловіддачі зосереджений у плівці конден-сату, тому висока інтенсивність теплообміну досягається там, де відбу-вається швидке видалення плівки конденсату з поверхні теплообміну. Це досягається на вертикально орієнтованих поверхнях [34, 46].

Основними факторами, що впливають на швидкість процесу тепловіддачі при конденсації пари (газу), є:

- фізичні параметри процесу (тиск, температура, різниця температур між плівкою конденсату й поверхнею);

- фізико-хімічні (природа й хімічна будова, густина, в'язкість і поверхневий натяг конденсату), а також теплофізичні (теплоємність, теплопровідність, питома теплота конденсації) та індивідуальні власти-вості речовини;

- стан поверхні конденсації (гладка, шорсткувата) і її орієнтація в просторі (горизонтальна, вертикальна, похила).

Розглянемо процес тепловіддачі (див. рис. 4.1) від насиченої пари, що конденсується, до вертикальної поверхні стінки, що змочена конденсатом, через елементарну площину dF, при цьому швидкість утворення плівки конденсату щодо нормалі до поверхні теплообміну дорівнює w.

Кількість тепла, передана від пари, що конденсується, до елементарної площини за одиницю часу дорівнює

 (4.1) де mк – масова витрата пари, кг/с; r – питома теплота конденсації пари, Дж/кг; ρ – густина конденсату, кг/м3.

Така сама кількість тепла передається через плівку конденсату до елементарної площадки шляхом теплопровідності, при цьому

                                                               (4.2) де λ – теплопровідність плівки конденсату.

Одночасно запишемо рівняння тепловіддачі для процесу конвек-тивного теплообміну від пари, що конденсується, до холодної стінки

            (4.3) де αк – коефіцієнт тепловіддачі при конденсації, Вт/(м2.К); tп, tст – тем-пература плівки конденсату та холодної стінки відповідно.

Система рівнянь (4.1)–(4.3) описує процес конвективного теплообміну на межі між стінкою й парою, що конденсується.

Порівнюючи рівняння (4.1)–(4.2) і розв’язуючи їх спільно, одержали

                                                             (4.4) де а – коефіцієнт температуропровідності плівки конденсату, a=λ/(cρ), м2/с; с – теплоємність конденсату, Дж/(кг.К).

Рівняння (4.4) описує залежність зміни температури щодо товщини плівки конденсату від масової витрати конденсату й питомої теплоти конденсації пари, що конденсується.

Перетворивши методами теорії подібності систему рівнянь (4.3)–(4.4) у критеріальне рівняння, одержали безрозмірні комплекси [19, 36]

                                                (4.5) де Nu– критерій (число) Нуссельта, що характеризує інтенсивність тепловіддачі на межі між стінкою та парою, що конденсується