Методы интенсификации теплообмена при конденсации пара

МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА

Конденсация пара может быть пленочной или капельной в зависимости от того, смачивает образующаяся жидкость поверхность или нет. При капельной конденсации интенсивность теплообмена высокая, так как термическое сопротивление между паром и стенкой минимальное. Если при конденсации на стенке образуется жидкая пленка, то она создает дополнительное термическое сопротивление и снижает интенсивность теплообмена. Поэтому с целью интенсификации теплообмена необходимо  уменьшить толщину пленки конденсата.

Рассмотрим основные методы интенсификации теплообмена в конденсаторах поверхностного типа. Эффективными методами в данном случае являются: создание капельной конденсации, применение низкооребренных труб, вибрация поверхности, расположение  трубного пучка под наклоном [4.1¾4.5].

При капельной конденсации теплоотдача в 5 ¾ 10 раз выше, чем при пленочной. Капельную конденсацию можно создать путем периодической подачи жидкого стимулятора с греющим паром на поверхность конденсации либо использованием гидрофобной поверхности. В качестве стимуляторов могут применяться кремнийорганические жидкости ГКЖ-90, ГКЖ-16, ГКЖ-94, машинное масло, керосин и др. Действие стимуляторов не превышает несколько сот часов, что ограничивает их использование в промышленности. Гидрофобными пленками могут служить органические соединения, молекулы которых имеют несимметричное строение. Гидрофобная пленка может быть получена с использованием материалов на основе фторпроизводных этилена (фторопласты), кремнийорганических и фенолформальдегидных смол. При наличии в паре примесей продолжительность капельной конденсации резко падает из-за загрязнения поверхности.

Оребрение и накатка труб увеличивают поверхность на единицу длины и интенсифицируют теплоотдачу. В отличие от оребрения накатка позволяет интенсифицировать теплоотдачу как на наружной, так и внутренней поверхностях трубы.

Вибрация поверхности интенсифицирует теплоотдачу на обеих поверхностях трубы и предотвращает загрязнение поверхности. Возможны как искусственная вибрация поверхности, так и регулирование естественной вибрации.  Однако вибрация может привести к разрушению труб.

Расположение трубного пучка под наклоном позволяет устранить заливание конденсатом части поверхности труб, уменьшить паровое сопротивление, улучшить деаэрацию конденсата.

В повышении теплопередачи в конденсаторах большую роль играет теплоотдача к охлаждающей воде, ее также необходимо увеличивать. Следует заметить, что пристенные турбулизаторы на внутренней поверхности конденсатора не только интенсифицируют теплоотдачу, но и уменьшают отложения на стенке.

4.2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ

При пленочной конденсации на наружной поверхности труб с канавками интенсификация теплообмена обусловлена действием поверхностного натяжения на пленку конденсата. В результате пленка стекает в канавки  труб и уменьшается ее толщина на остальных участках трубы.

Этот эффект усиливается при уменьшении относительного шага канавок до 0,25¾ 0,35 от наружного диаметра труб, а также в случае плавного профиля  трубы (рис. 4.1). Переменное сечение трубы с плавными переходами приводит к стеканию конденсата в канавки . В результате уменьшается толщина конденсатной пленки на выступах трубы и ее термическое сопротивление. Стекание конденсата в канавки снижает устойчивость пленки, приводит к ее срыву. Перераспределение конденсата по длине трубы приводит  к росту среднего коэффициента теплоотдачи.

Коэффициенты теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе из латуни с накаткой (линия 2) и без накатки (линия 1), полученные Г.А. Дрейцером, представлены  на рис. 4.2. Наружный диаметр трубы 18,3 мм; длина трубы 18,9 мм. Для трубы с накаткой: d_н/D_н= 0,893; t/D_н = 0,37; R/D_н = 0,76; R_о/D_н = 0,062. Давление водяного пара (0,157 – 0,323) МПа, температура стенки (75,2 -  98,3 С; скорость пара не более 5 м/с; Re_пл = 25 – 150.

Как видно из рисунка, коэффициент теплоотдачи для трубы накаткой растет больше, чем в два раза.

Рис. 4.1. Профилированная горизонтально расположенная труба 

Рис. 4.2. Коэффициенты теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной латунной трубе без накатки (1) и с накаткой (2)

Рост коэффициента теплоотдачи тем больше, чем больше глубина канавок, чем меньше их шаг и радиус закругления выступающих частей труб.

Полученные опытные данные описаны зависимостью [4.1]

в диапазонах d_н/D_н= 0,89 – 0,95; t/D_н= 0,283¾ 0,37; R/D_н= 0,5¾ 1.

Теплоотдача для гладкой трубы описывается уравнением

полученным  для пленочной конденсации пара на горизонтальной трубе. Свойства, входящие в уравнение (4.2) определяются по температуре насыщения.