Учебная работа. Инженерный расчёт теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Инженерный расчёт теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики

Курсовая работа

Инженерный расчёт теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики

Введение

Совершенно очевидным является положение, что использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятель. Теплота — это великий дар природы и естественно желание научиться разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты.

Тепломассообмен — это наука, изучающая процессы распространения тпла и передачи массы вещества в пространство, имеющее непосредственную физическую связь с теплообменом. Явление тепломассообмена распространено в природе и в технике. Например, расчёт и конструирование теплообменных установок в теплоэнергетике, расчёт тепловых двигателей, атомных реакторов, холодильных устройств. Тепломассообмен вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники, являющиеся основой знаний инженеров теплоэнергетиков. При соприкосновении двух тел с разными температурами происходит обмен энергиями, в результате интенсивность движения частиц с меньшей температурой увеличивается, а с большей уменьшается. Значит для возникновения процесса теплообмена необходимо наличие разности температур. Если нет разности, нет и теплообмена.

В этой работе будут рассмотрены процессы нестационарной теплопроводности тел, передачи теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, пузырькового кипения жидкости в трубе, плёночной конденсации пара в трубе. Все эти процессы имеют практическое применение в технике, в котельных установках, поэтому знание и умение их рассчитывать необходимо каждому теплоэнергетику.

1. Нестационарная теплопроводность тел

теплопроводность кипение конденсация

Задание.

исследовать процесс нагрева железобетонной плиты при её термической обработке, имеющей размеры S*b*l. Определить распределение температуры по толщине плиты и расход теплоты на единицу её объема по истечении времени τ в зависимости от интенсивности теплообмена между греющей средой и поверхностью плиты.

В начале термической обработки температура по всему объёму плиты была одинаковой и равной tн. Температура греющей среды в процессе нагрева плиты поддерживалась постоянной и равной t0. Обогрев плиты симметричный. Время процесса нагрева τ определить из условия, что температура на поверхности плиты оказалась равной tc. Скорость потока водяного пара относительно поверхности плиты w. Данные к заданию приведены в таблице 1.

Таблица 1.1 — исходные данные

Размер плиты S*b*l, мНачальтемпер плиты tн, ºСТемперповерхн плиты tc, ºCТемперат насыщ пара t0, ºCТеплофизические свойства плитыСкорость потока воздуха w, м/сплотность ρ, кг/м3коэф. Теплопр λ, Вт/м*КТеплоём с, Дж/м*К0,4*1,0*6,00100120,15022001,418345,10,20,40,60

.1 Расчёт

Плита толщиной S, выполненная из однородного материала и ограниченная плоскопараллельными поверхностями, по размерам много большими S, подвергается внезапному тепловому воздействию с обеих сторон потоком пара. процесс нестационарной теплопроводности в плите описывается дифференциальным уравнением:

(1.1)

Считая, что процесс нагрева плиты идёт по обе стороны, начало координат целесообразно поместить в середине плиты по толщине.

Так как на плиту воздействует поток пара, нам необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи от потока пара к поверхности плиты. Для этого необходимо вычислить критерий Рейнольдса, определяемый выражением:

(1.2)

где w- скорость потока пара, м/с

l — толщина плиты, м

ν — коэффициент кинематической вязкости пара, м2/с

после этого необходимо вычислить критерий Нуссельта для пара:

(1.3)

где Prж — критерий Прандтля, определяемый для пара по табличным значениям при температуре пара

Prс — критерий Прандтля, определяемый для пара по табличным значениям при температуре стенки

Вычислив критерий Нуссельта можно, наконец, определить коэффициент теплоотдачи пара к плите:

(1.4)

где λ — коэффициент теплопроводности пара при заданной температуре пара

Результаты расчётов приведены в таблице.

Таблица 1.2 — значения критериев Рейнольдса, Нуссельта, коэффициента теплоотдачи для потока пара при температуре 120ºС

Скорость потока пара w, м/сRe * 10-6Nu * 10-3Коэффициент теплоотдачи α, 52,6185,24422,662105,2369,1339,4572010,4715,968,6984020,9427,68119,616031,4138,28165,44

Таблица 1.3 — значения критериев Рейнольдса, Нуссельта, коэффициента теплоотдачи для потока пара при температуре 150ºС

Скорость потока пара w, м/сRe * 10-6Nu * 10-3Коэффициент теплоотдачи α, 55,4849,88547,5151010,9717,2182,7282021,9429,97144,0384043,8852,17250,7846065,8172,17346,875

Для дальнейших расчётов нам необходимо вычислить критерий Био, определяемый из выражения:

(1.5)

где S — параметр плиты, м

λ — коэффициент теплопроводности материала плиты,

Решением трансцендентного уравнения

(1.6)

Является бесконечное множество корней (δ1, δ2, δ3, …), но для расчётов нам хватит первых пяти, значения которых приведены в таблицах.

Таблица 1.4 — значения критерия Био и корней трансцендентного уравнения для потока пара при температуре 120ºС

Скорость потока пара w, м/сBiδδδδδ53,2141,19083,82066,72149,740312,8106105,5971,33254,07596,95659,935512,9724209,7441,42384,29347,21310,185313,20044016,9661,47574,43527,414310,417213,44256023,4671,50244,50997,524710,550113,5876

Таблица 1.5 — значения критерия Био и корней трансцендентного уравнения для потока пара при температуре 150ºС

Скорость потока пара w, м/сBiδδδδδ56,741,36434,14757,03610,009913,03861011,7341,44064,3387,274410,254313,2712020,4311,49694,49387,49910,516513,54774035,5721,52444,57437,627210,684313,74666049,2021,53834,61517,692910,77213,8529Тогда температурный напор в любой точке сечения плиты можно вычислить по формуле:

(1.7)

где θ0 — начальный температурный напор, θ0 = tп — tн

Fo — критерий Фурье, вычисляемый по формуле:

(1.8)

где a — коэффициент температуропроводности плиты, a = λ/cρ

таким образом, для нахождения температурного напора в любом сечении плиты нам необходимо вычислить время τ, которое можно найти, зная разность температур на поверхности плиты.

Таблица 1.6 — Результаты вычислений времени воздействия пара на плиту

Скорость потока пара w, м/сВремя τ, с (при температуре пара 120ºС)время τ, с (при температуре пара 150ºС)5363582505,41016785870,45205915174,9402272,5- 601132,9 —

Вычислив время τ, можно определить распределение температуры по сечению плиты в момент времени τ.

Количество тепла, подведённое через единицу площади поверхности при её нагреве от начальной температуры до температуры, равной температуре потока пара , определяется по формуле, Дж/м2:

(1.9)

А количество тепла, подведённое к единице площади поверхности за время τ с обеих сторон плиты, —

(1.10)

Таблица 1.7 — количество тепла, подведённое к единице площади поверхности за время τ с обеих сторон плиты

Скорость потока пара w, м/сQ, Вт (при температуре пара 120ºС)Q, Вт (при температуре пара 150ºС)58,6*1082,36*108106,43*1081,32*108203,82*108-402,29*108-601,52*108-

Таблица 1.8 — площади поверхности за время τ с обеих сторон плиты при температуре пара 120ºС

Сечение x=0 ,мСечение x=0,05 ,мСечение x=0,1 ,мСечение x=0,15 ,мСечение x=0,2 ,мКоличество тепла Q*10-8,Температурный напор θ , ºС (w=5 м/с)53,91651,54544,6433,807208,603Температурный напор θ , ºС (w=10 м/с)84,02779,49266,30545,752206,426Температурный напор θ , ºС (w=20 м/с)114,486109,89394,09963,75203,819Температурный напор θ , ºС (w=40 м/с)119,908119,196112,70984,265202,286Температурный напор θ , ºС (w=60 м/с)120119,965118,77100,201201,515

Таблица 1.9 — площади поверхности за время τ с обеих сторон плиты при температуре пара 150ºС

Сечение x=0 ,мСечение x=0,05 ,мСечение x=0,1 ,мСечение x=0,15 ,мСечение x=0,2 ,мКоличество тепла Q*10-8,Температурный напор θ , ºС (w=5 м/с)149,862149,043142,389114,666502,364Температурный напор θ , ºС (w=10 м/с)150149,926149,623137,365501,319

.2 Выводы

Процессы теплообмена, при которых температурное поле изменяется не только в пространстве, но и во времени, называются нестационарными. Это и охлаждение воздуха в течение суток, и охлаждение вскипячённой воды в чайнике с течение времени и многие другие. Из указанных примеров можно выделить два основных вида процесса нестационарной теплопроводности. Первый из них, когда нагретое или охлаждённое тело стремится к тепловому равновесию, второй, когда тело претерпевает периодические температурные изменения.

Если нагревать поверхность плиты, то сначала начинают прогреваться поверхностные слои, затем уже тепло начинает поступать в глубинные слои. Тепло от пара к стенке передаётся конвекцией, которая характеризуется интенсивностью теплообмена.

Рисунок 1.1 — Изменение коэффициента теплоотдачи при увеличении скорости и температуры пара.

Из графиков можно сказать, что увеличение скорости пара ведёт к росту коэффициента теплоотдачи. причем зависимость прямопропорциональная. Однако по мере увеличения температуры пара влияние скорости снижается.

рисунок 1.2 — Изменение теплового потока при изменении скорости пара, температура пара 1200С

Количество же тепла, необходимое для нагревания поверхности плиты до температуры пара, снижается при увеличении скорости пара. При повышении температуры пара количество необходимого для нагрева поверхности плиты также уменьшается. Этот факт можно объяснить тем, что поток движущегося вдоль поверхности плиты пара конвекцией передаёт тепло поверхностному слою плиты. От поверхности плиты в глубь тепло распространяется теплопроводностью, которая не зависит от скорости и температуры пара. Нагрев поверхности плиты под воздействием пара происходит быстро. За это время поверхностный слой не успевает отдать тепло другим слоям, а при этом получает новые «порции» тепла. Тепло накапливается и, так как нет возможности быстро его передать, поверхность плиты начинает перегреваться. Этот эффект называют тепловым ударом. Так как разность между температурой поверхности плиты и глубинными слоями велика, то такой режим течения пара может привести к возникновению трещин и разрушению плиты. Из полученных графиком можно сделать вывод, что для прогрева плиты за время τ, самым оптимальным является режим течения пара при температуре 120 градусов и скорости ниже 5 м/с, приблизительно 1-2 м/с. Дальнейшее увеличение скорости пара приводит к тепловому удару поверхности плиты. Применение пара с температурой в 150 градусов неприемлемо, так как даже скорость 5 м/с вызывает тепловой удар.

Рисунок 1.3 — Распределение температуры в плите при температуре пара 1200С.

рисунок 1.4 -Распределение температуры в плите при температуре пара 1500С

2. Передача теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки

Задание

Исследовать эффективность оребрения поверхности плоской стенки в зависимости от высоты ребра h и теплопроводныхсвойств его материала при граничных условиях третьего рода.

Плоская стенка с размерами по высоте 800 мм и ширине 1000 мм оребрена продольными рёбрами прямоугольного сечения. По ширине стенки размещено 50 рёбер. Для оптимального размера ребра выполнить расчёты распределения температуры,определить плотность теплового потока, передаваемого ребром, оценить вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой. Данные к заданию приведены в таблице.

Таблица 2.1 — Данные к заданию

Высота ребра h, ммТолщина ребра δ, ммТемпература окружающего воздуха tвТемпература у основания ребра t0Скорость движения воздуха w, м/с10,20,30,40,50130902,6,12,20

.1 Расчёт

Т.к. плоская оребрённая стенка омывается потоком воздуха, то нам необходимо сначала определить теплофизические свойства воздуха. Для нахождения коэффициента теплоотдачи воздуха нам нужно вычислить :

) критерий Рейнольдса

, (2.1)

где l — высота плиты, т.к. нагретый воздух поднимается снизу вверх вдоль рёбер

) критерий Нуссельта для вынужденной конвекции

(2.2)

) критерий Грасгофа для случая естественной конвекции

, (2.3)

где β=1/273 — температурный коэффициент объемного расширения воздуха

h — высота стенки

) критерий Нуссельта для случая естественной конвекции

(2.4)

при

Получив значения критерия Нуссельта для различных скоростей и режимов движения воздуха, можно вычислить коэффициент теплоотдачи воздуха по формуле:

(2.5)

где λ — коэффициент теплопроводности воздуха при заданной температуре воздуха

Таблица 2.2 — значения критериев Рейнольдса, Нуссельта, Грасгоффа и коэффициента теплоотдачи для потока воздуха

Скорость потока пара w, м/сRe * 10Nu Коэффициент теплоотдачи α, 0Gr=4,312*10201,6626,732 1318,84410,64163767,84725,627126133744,6192010201267,143

Зная α, можно вычислить параметр ребра m:

1/м (2.6)

где u — периметр ребра, м;

λ — коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/м*К;

f — площадь сечения ребра, м2;

Таблица 2.3 — значения параметра ребра m

параметр ребра m, 1/мСталь МедьЛатуньm, 1/м (при w=0 м/с)17,1166,03511,609m, 1/м (при w=2 м/с)21,5237,58914,597m, 1/м (при w=6 м/с)33,40111,77722,653m, 1/м (при w=12 м/с)44,07215,5429,891m, 1/м (при w=20 м/с)54,06419,06336,668

теперь можно найти температурный напор по высоте ребра по формуле:

(2.7)

где θ0 — температурный напор у основания ребра

Преобразовав полученные значения температурного напора в изменение температуры по высоте ребра, получим значения, представленные в таблице.

Таблица 2.4 — Значение температуры ребра 0,01 м

Таблица 2.5 — Значение температуры ребра высотой 0,02 м

Таблица 2.6 —

Таблица 2.7 —

Таблица 2.8 —

Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, определяется по выражению:

(2.8)

Таблица 2.9 — тепловой поток, передаваемый через основание ребра

максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, при абсолютной теплопроводности материала ребра (λ= ) и при температуре по всей поверхности ребра, равной температуре в его основании, определяется по формуле:

(2.9)

Таблица 2.10 — максимальный тепловой поток, передаваемый ребром при абсолютной теплопроводности материала ребра

Тогда отношение действительного теплового потока к максимальному оценивается коэффициентом эффективности продольного ребра прямоугольного сечения:

(2.10)

Таблица 2.11 — Коэффициент эффективности ребра

Эффективность оребрения стенки можно оценить, вычислив вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой.

Для этого надо сначала найти тепловой поток ребристой стенки:

(2.11)

После подстановки известных значений можно упростить:

(2.12)

тепловой поток, отводимый от неоребрённой стенки можно вычислить по формуле:

(2.13)

после упрощения получим:

(2.14)

Тогда коэффициент, учитывающий отношение теплоты, отведённой к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой, вычисляется по формуле:

(2.15)

Таблица 2.12 — Коэффициент эффективности оребрения плоской стенки

.2 Выводы

При обтекании плоской стенки потоком воздуха у поверхности стенки образуется гидродинамический пограничный слой. Скорость потока воздуха в этом слое изменяется от 0 до скорости невозмущённого потока. Течение жидкости в пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным. При ламинарном течении воздух движется «слоями», не смешивающимися между собой, струйками. При турбулентном же режиме возникают завихрения в потоке, что приводит к перемешиванию слоёв жидкости. Таким образом, в гидродинамическом слое у поверхности плиты вначале развивается ламинарный режим, впоследствии переходящий в турбулентный. Этот переход происходит на интервале определённой длины, а не в какой-то точке слоя. однако даже при развитом турбулентном режиме у самой поверхности плиты образуется тонкий подслой, движение жидкости в котором подчиняется ламинарному режиму.

В гидродинамическом слое, образующемся у поверхности плиты, изменяется не только скорость потока, но и температура от значения на стенке до значения воздуха вдали от поверхности плиты. надо сказать, что при ламинарном режиме течения температура в пограничном слое по мере отдаления от плиты уменьшается, теплообмен осуществляется за счёт теплопроводности от слоя к слою и к стенке. Турбулентный же режим отличается тем, что при смешении слоёв их температура уравновешивается и теплообмен происходит конвекцией.

Наличие рёбер на плите вносит свои коррективы в процесс теплообмена.

Рассмотрим распределение температуры по высоте ребра.

По мере отдаления от основания ребра к вершине температура начинает снижаться. Тепло в ребре передаётся теплопроводностью. При скоростях 0 и 2 м/с развивается ламинарный режим течения потока воздуха, а при скоростях в 6,12 и 20 м/с ламинарный режим переходит в турбулентный. Этот переход заметен на графиках, так как при турбулентном режиме на теплообмен значительное влияние оказывает скорость потока. В этом режиме слой воздуха, нагреваемый у поверхности стенки и рёбер, перемешивается и сносится холодным набегающим потоком. Интенсивность теплообмена при этом прямопропорциональна скорости потока.

рисунок 2.1 — Изменение интенсивности теплообмена при увеличении скорости потока воздуха

увеличение высоты ребра приводит к увеличению перепада температур у основания ребра и на вершине. Это можно объяснить тем, что увеличивая высоту ребра, увеличивается и площадь поверхности теплообмена, то есть большее количество тепла отводится от поверхности ребра набегающим потоком.

Материал ребра также влияет на процесс теплообмена. Так как тепло в ребре распространяется теплопроводностью, то вещество, имеющее больший коэффициент теплопроводности, будет лучше проводить тепло от основания ребра к вершине ,и как следствие, перепад температур будет меньше, чем для веществ с большим λ. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает медь λ=370 Вт/м*К, у латуни λ=100 Вт/м*К, а у стали λ=46 Вт/м*К. Из полученных графиков видно, что перепад температур при высоте ребра 50 мм и скорости потока 20 м/с в меди составляет 20 градусов, у латуни 40, а у стали 50.

рисунок 2.2 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,01 м

рисунок 2.3 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,01 м

рисунок 2.4 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,01 м

рисунок 2.5 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,02 м

рисунок 2.6 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,02 м

рисунок 2.7 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,02 м

рисунок 2.8 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,03 м

рисунок 2.9 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,03 м

рисунок 2.10 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,03 м

рисунок 2.11 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,04 м

рисунок 2.12 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,04 м

рисунок 2.13 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,04 м

рисунок 2.14 — Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,05 м.

рисунок 2.15 — Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,05 м

рисунок 2.16 — Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,05 м

тепловой поток, передаваемый через основание ребра, зависит от коэффициента теплопроводности материала ребра, то есть чем выше этот коэффициент, тем лучше материал проводит подведённое тепло. Однако при различных режимах течения потока воздуха, на количество подводимого тепла влияет скорость потока и высота ребра. При ламинарном режиме прогретый слой теплопроводностью передаёт тепло другому слою и так происходит нагрев воздушного потока, при турбулентном же режиме, тепло прогретого нижнего слоя вихревыми потоками смешивается с другими слоями и отвод тепла идёт интенсивно. увеличение высоты ребра лишь улучшает отвод тепла за счёт увеличения общей теплообменной поверхности.

Рисунок 2.17 — тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из стали

рисунок 2.18 — Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из меди

рисунок 2.19 — Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из латуни

увеличение высоты ребра приводит к тому, что влияние скорости потока на максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, уменьшается.

Рисунок 2.20 — Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром

Эффективность оребрения с увеличением высоты ребра уменьшается, аналогично влияние скорости теплового потока. Однако для материалов с большим коэффициентом теплопроводности эффективность оребрения уменьшается не так значительно. Поэтому для оребрения плоской стенки эффективнее использовать медные рёбра, однако с экономической точки зрения это не выгодно, так как медь дорогая. Наиболее дешевым из рассматриваемых материалов является сталь, поэтому для отопления аудиторий, кабинетов, комнат чаще применяют стальные рёбра, хотя эффективность значительно ниже, чем для меди и латуни. Для комнатных условий, когда присутствует естественная циркуляция воздушного потока и нам необходимо нагреть комнату, целесообразнее и экономически выгоднее применять стальные рёбра с высотой 50 мм. В этом случае вклад оребрённой стенки по отношению к неоребрённой больше в 5 раз, для меди в 6 раз, а для латуни в 5,5. То есть это выгодно те только с экономической точки зрения, которая является определяющей при проектировании, но и с технической, так как эффективность находится на уровне с более дорогими медью и латунью.

Рисунок 2.21 — Коэффициент эффективности ребра, выполненного из стали

рисунок 2.22 — Коэффициент эффективности ребра, выполненного из меди

рисунок 2.23 — Коэффициент эффективности ребра, выполненного из латуни

рисунок 2.24 — Коэффициент эффективности оребрения стенки стальными рёбрами

Рисунок 2.25 — Коэффициент эффективности оребрения стенки медными рёбрами

Рисунок 2.26 — Коэффициент эффективности оребрения стенки латунными рёбрами

3. Конвективный теплообмен при кипении в условиях движения жидкости в трубе

Задание.

Исследовать влияние тепловой нагрузки, скорости движения и параметров состояния среды, размеров трубы на коэффициент теплообмена и определить изменения критической нагрузки от давления и предельно допустимой температуры нагрева стенки трубы при кипении в условиях движения двухфазного потока. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 3.1 — исходные данные к выполнению задания

Давление p*10-5, ПаВнутренний диаметр труб d*103 , мТепловая нагрузка q*10-6 ,Вт/мСкорость движения потока w, м/с11, 60, 10022, 45, 850,2; 0,45; 0,65; 0,951, 5

.1 Расчёт

При кипении жидкости в трубе для нахождения коэффициента теплоотдачи α нам необходимо сначала вычислить коэффициент теплообмена при пузырьковом режиме кипения жидкости в большом объёме αq и коэффициент теплообмена при движении жидкости в трубе в однофазном состоянии αw. Потом определим их отношение, чтобы вычислить значение коэффициента теплообмена при кипении жидкости с учётом движения в трубе.

Для расчёта коэффициента теплообмена при развитом пузырьковом режиме кипения в большом объёме нам необходимо сначала вычислить

(3.1)

σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

Тs = ts + 273 — температура фазового перехода, К;

ρ’ , с’р , ν ‘, а’ — плотность, кг/м3, массовая теплоёмкость, Дж/кг*К, коэффициент кинематической вязкости, м2/с, кипящей жидкости;

ρ" — плотность сухого насыщенного пара, кг/м3;

r — удельная теплота фазового перехода, Дж/кг.

Теплофизические характеристики воды и водяного пара при соответствующих температуре и давлении выбираются из таблиц авторов Ривкина и Александрова.

Таблица 3.2 — Теплофизические характеристики водя и водяного пара

По найденному значению размера l* можем вычислить

(3.2)

Как видно, полученные значения Рейнольдса больше 10-2, поэтому критерий Нуссельта вычисляем:

(3.3)

Тогда коэффициент теплообмена при пузырьковом режиме кипения жидкости в большом объёме αq вычисляется по формуле:

(3.4)

Таблица 3.3 — полученные значения размера l*, критериев Рейнольдса, Нуссельта и коэффициент теплообмена при пузырьковом кипении жидкости в большом объёме

Для расчёта коэффициента теплообмена при движении жидкости в трубе в однофазном состоянии αw необходимо получить значения критерия Рейнольдса, вычисляемые по формуле:

(3.5)

Для расчёта критерия Нуссельта нам необходимо знать значение критерия Прандтля для стенки. Это значение табличное, поэтому нужно вычислить температуру стенки.

(3.6)

Таблица 3.4 — температура стенки трубы и значение критерия Прандтля при этой температуре.

Критерий Нуссельта рассчитывается по формуле:

(3.7)

Тогда коэффициент αw вычисляем по формуле:

(3.8)

Таблица 3.5 — полученные значения критериев Рейнольдса, Нуссельта и коэффициента теплообмена при движении жидкости в трубе в однофазном состоянии

q, МВт/ м2Re* 10-5Nuαw, Вт/м2Кпри p=1,1 МПа d=0,022 м w=1 м/с0,21,295259,61879360,451,295260,32179570,651,295260,60279660,951,295260,9277976d=0,022 м w=5 м/с0,26,474940,827287600,456,474943,376288400,656,474944,396288700,956,474945,57428900d=0,045 м w=1 м/с0,22,649460,2268770,452,649461,46768960,652,649461,96669030,952,649462,5426912d=0,045 м w=5 м/с0,213,241668249200,4513,241672249900,6513,241674250200,9513,24167625050d=0,085 м w=1 м/с0,25,003765,47560560,455,003767,54960720,655,003768,37860790,955,003769,3376086d=0,085 м w=5 м/с0,225,012774219500,4525,012782220100,6525,012785220300,9525,01278822060q, МВт/ м2Re* 10-5Nuαw, Вт/м2Кпри p=6,0 МПа d=0,022 м w=1 м/с0,21,668299,37779180,451,668298,86979050,651,668298,678980,951,668298,2927889d=0,022 м w=5 м/с0,28,341085286900,458,341083286500,658,341082286200,958,34108128590d=0,045 м w=1 м/с0,23,412530,70268620,453,412529,80168510,653,412529,32468440,953,412528,7786837d=0,045 м w=5 м/с0,217,061923248700,4517,061920248300,6517,061918248000,9517,06191624780d=0,085 м w=1 м/с0,26,444882,70660430,456,444881,20660320,656,444880,41360270,956,444879,5056021d=0,085 м w=5 м/с0,232,223199219000,4532,223193218600,6532,223191218400,9532,22318721820q, МВт/ м2Re* 10-5Nuαw, Вт/м2Кпри p=10,0 МПа d=0,022 м w=1 м/с0,21,719325,82977230,451,719324,98177030,651,719324,5276920,951,719324,0047680d=0,022 м w=5 м/с0,28,6941181279900,458,6941178279100,658,6941176278700,958,694117427830d=0,045 м w=1 м/с0,23,516577,59266930,453,516576,08966760,653,516575,27366660,953,516574,3586655d=0,045 м w=5 м/с0,217,582093242500,4517,582088241900,6517,582085241600,9517,58208124120d=0,085 м w=1 м/с0,26,641960,69758940,456,641958,19758780,656,641965,83958700,956,641955,3175861d=0,085 м w=5 м/с0,233,23481213600,4533,23472213000,6533,23467212700,9533,2346221240

жидкости в трубе α рассчитываем, исходя из условия, что:

(3.9)

Таблица 3.6 — полученные значения коэффициента теплообмена при пузырьковом кипении жидкости в трубе и отношения коэффициентов теплообмена при кипении жидкости в большом объёме и при движении жидкости в однофазном состоянии

q, МВт/м2αq/αw α, Вт/м2Кq, МВт/м2αq/αw α, Вт/м2Кq, МВт/м2αq/αw α, Вт/м2Кp=1,1 МПа d=0,022 м w=1 м/спри p=6,0 МПа d=0,022 м w=1 м/спри p=10,0 МПа d=0,022 м w=1 м/с0,22,654210600,23,099245400,23,466267700,454,484356800,455,259415700,455,887453500,655,689453200,656,684527900,657,487575900,957,272580000,958,564675600,959,59673700d=0,022 м w=5 м/сd=0,022 м w=5 м/сd=0,022 м w=5 м/с 0,20,732318900,20,855336100,20,956343100,451,237401400,451,451440000,451,625465100,651,57468800,651,845530100,652,066575900,952,007580000,952,363675600,952,64873700d=0,045 м w=1 м/сd=0,045 м w=1 м/сd=0,045 м w=1 м/с 0,23,062210600,23,576245400,24267700,455,174356800,456,068415700,456,793453500,656,565453200,657,713527900,658,639575900,958,391580000,959,882675600,9511,07473700d=0,045 м w=5 м/сd=0,045 м w=5 м/сd=0,045 м w=5 м/с 0,20,845290600,20,987309000,21,104317700,451,428379700,451,674423600,451,875454700,651,811456000,652,129527900,652,384575900,952,315580000,952,726675600,953,05673700d=0,085 м w=1 м/сd=0,085 м w=1 м/сd=0,085 м w=1 м/с 0,23,478210600,24,061245400,24,542267700,455,876356800,456,892415700,457,715453500,657,455453200,658,759527900,659,811575900,959,53580000,9511,22675600,9512,57573700d=0,085 м w=5 м/сd=0,085 м w=5 м/сd=0,085 м w=5 м/с 0,20,959269400,21,121289100,21,253299500,451,621366200,451,902416400,452,129453500,652,057453200,652,417527900,652,708575900,952,629580000,953,096675600,953,4773700

первая критическая плотность теплового потока при кипении в большом объёме (в условиях свободного отвода пара от поверхности нагрева) может быть определена по формуле:

(3.10)

Коэффициент теплообмена αкр вычисляется так же, как и αq, только при q=qкр1.

Тогда предельная температура стенки трубы определяется по формуле:

(3.11)

Таблица 3.7 — значения критических теплового потока, коэффициента теплообмена и температуры стенки трубы

p, МПаqкр, МВт/м2αкр, Вт/м2*Кtкр, 0C1,11,07162700200,93160,61851080287,514100,428943950320,674

3.2 Выводы

Кипение жидкости в трубе — это сложный процесс, до конца не изученный. особенность процесса в том, что при кипении жидкости образуется пар и поток становится двухфазным. Кипение жидкости в трубе делят на кипение на твердой поверхности и в объёме жидкости. В этой работе будет рассмотрено кипение на твердой поверхности, то есть на стенке трубы. процесс парообразования здесь начинается непосредственно на стенке трубы, так как она имеет наибольшую температуру и происходит перегрев жидкости. Поверхность трубы также имеет шероховатости, на ней могут находиться пузырьки воздуха и пыли, служащие центрами парообразования. поэтому пузырьки пара начинают зарождаться именно на стенке, чаще всего в углублениях шероховатостей. Пузырёк пара на поверхности стенки характеризуют диаметром и углом краевого смачивания, которые очень важны для оценки процесса теплообмена. Если угол краевого смачивания меньше 90 градусов и диаметр пузырька становится отрывным, тогда пузырёк отрывается от поверхности, если же угол больше 90 градусов, тогда пузырёк не может оторваться, площадь основания пузырька велика, но жидкостью этот участок стенки не смачивается, а значит, снижается интенсивность теплообмена. Однако увеличение теплового потока до некоторой величины приводит к тому, что пузырьки пара у поверхности стенки начинают сливаться, образуя сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в жидкость. А так как коэффициент теплопроводности пара значительно меньше коэффициента теплопроводности воды ( в 34 раза), то тепло передаётся от стенки к воде незначительно, что приводит к перегреву стенки и даже её плавлению. Увеличение теплового потока также приводит к турбулизации потока. При этом пристеночный слой частично разрушается, что приводит к увеличению интенсивности теплообмена. Поэтому при оценке кипения жидкости в трубе надо особое внимание уделять парообразованию на поверхности стенки, которое является определяющим в этом процессе.

увеличение скорости потока жидкости приводит к тому, что пузырьки пара, не достигнув отрывного диаметра, отрываются от поверхности стенки. То есть увеличение скорости потока жидкости ведёт к турбулизации жидкости, и как следствие, к частичному разрушению пристеночного слоя. При этом интенсивность теплообмена линейно возрастает. То есть увеличение скорости потока до некоторой величины приводит к тому, что интенсивность теплообмена становится функцией теплового потока и дальнейшее увеличение скорости потока не влияет на коэффициент. При низких же скоростях (меньше 1 м/с ) можно сказать, что интенсивность теплообмена зависит от скорости потока, а увеличение количества подводимого тепла не влияет на альфу. В интервале скоростей от 1м/с до 5 м/с коэффициент теплоотдачи является функцией двух переменных — теплового потока и его скорости.

рисунок 3.1 — Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=1,1 Мпа

Рисунок 3.2 — Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=6,0 Мпа

рисунок 3.3 — Зависимость интенсивности теплообмена от скорости при давлении жидкости p=10,0 МПа

В момент образования пузырька на него действуют две основные силы: сила давления окружающей жидкости и сила натяжения поверхности пузырька. Эти силы должна уравновешивать сила давления внутри пузырька. Однако если давление жидкости принимает такие значения, при которых разность давлений в пузырьке и окружающей жидкости становится меньше силы поверхностного натяжения слоёв пузырька, он не может существовать и развиваться, поэтому и конденсирует. То есть увеличение давления замедляет процесс парообразования, интенсивность теплообмена возрастает за счёт того, что большее количество тепла передаётся жидкой фазе, имеющей гораздо больший коэффициент теплопередачи, чем паровая фаза потока.

Из графиков видно, что при высоких давлениях (порядка 60 — 100 бар) при увеличении теплового потока коэффициент теплоотдачи возрастает линейно. Это значит, что можно говорить, что, начиная с некоторого значения давления (около 60 бар и выше), коэффициент теплоотдачи зависит только от количества подведённого тепла. При низких же давлениях (ниже 11 бар) интенсивность теплообмена зависит только от давления. При давлениях в интервале от 11 до 60 бар коэффициент теплоотдачи зависит и от давления, и от количества подведённого тепла.

Рисунок 3.4 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 1м/с в трубах диаметра 22, 45 и 85 мм

рисунок 3.5 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 22 мм

Рисунок 3.6 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 45 мм

рисунок 3.7 — Зависимость интенсивности теплообмена от давления при скорости движения жидкости равной 5 м/с в трубе диаметра 85 мм

Геометрические размеры трубы являются важным критерием оценки процесса кипения жидкости в трубе. При различных диаметрах трубы жидкость движется различно. Если рассматривать случай, когда скорость потока в трубе 5 м/с, то при диаметре 85 мм происходит ламинарный режим течения потока. У поверхности стенки образуется паровой слой, который снижает интенсивность теплообмена. По мере уменьшения диаметра трубы происходит турбулизация потока и, как следствие, разрушение пристеночного слоя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

Из графиком видно, что начиная с диаметра трубы 45 мм и меньше, коэффициент теплоотдачи зависит только от количества подведённого тепла. Увеличение же диаметра снижает зависимость интенсивности теплообмена от количества подведённого тепла.

рисунок 3.8 — Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 1,1 Мпа

Рисунок 3.9 — Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 6,0 Мпа

Рисунок 3.10 — Зависимость интенсивности теплообмена от диаметра трубы и плотности теплового потока при скорости движения жидкости равной 5 м/с и давлении 10,0 МПа

На интенсивность теплообмена существенное влияние оказывает коэффициент теплопроводности жидкости, который уменьшается при увеличении давление. Это происходит потому, что рост давления приводит к увеличению вязкости среды, а если учитывать, что вязкость мешает перемешиванию жидкости, обусловленному процессом парообразования у поверхности стенки, то происходит уменьшение коэффициента теплопроводности, а значит снижается и интенсивность теплообмена.

4. Конвективный теплообмен при плёночной конденсации пара

Задание.

исследовать влияние параметров состояния пара, его скорости движения, диаметра трубки на коэффициент теплообмена при плёночной конденсации пара для вертикального и горизонтального расположения трубки.

В расчётах учесть коридорную и шахматную компоновку трубок в пучке, эффект от повышения давления пара, степени паросодержания и перегрева пара, зависимость физических параметров теплоносителя от температуры, содержания воздуха в паре, волновой характер течения конденсатной плёнки, а также особенности теплообмена при вертикальном и горизонтальном расположении труб.

Оценить возможность применения конденсатоотводчиков на поверхности вертикально располагаемых трубок.

рассчитать среднее значение коэффициентов теплообмена, потоки теплоты и количество конденсирующегося пара на поверхностях труб в пучке. Данные к заданию приведены в таблице.

Таблица 4.1 — исходные данные к выполнению задания

4.1 Расчёт

Коэффициент теплообмена при конденсации пара рассчитывается через критерий Нуссельта, который в свою очередь вычисляется через критерии Архимеда или Галилея, Прандтля и Кутателадзе.

критерий Архимеда для вертикальной трубы вычисляется по формуле:

(4.1)

критерий Галилея принимают вместо критерия Архимеда, если плотность пара не соизмерима с плотностью конденсата:

(4.2)

Для случая горизонтальной трубы вместо h в формуле принимаем d трубы.

критерий Кутателадзе:

(4.3)

λ — коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м*К

ρ’ и ρ" — плотность жидкости и сухого насыщенного пара, кг/м3

r — удельная теплота фазового перехода, Дж/кг

ν — коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с

h — высота вертикальной стенки, м

tc — температура стенки, 0С

d — диаметр трубы, м

По полученным значениям критериев можно вычислить критерий Нуссельта для вертикальной трубы по формуле:

(4.4)

критерий Нуссельта для горизонтальной трубы вычисляется по формуле:

(4.5)

По полученным значениям критерия Нуссельта вычислим среднее

(4.6)

Таблица 4.2 — влияние давления на коэффициент теплообмена

Δt, 0CGaKaNuα, Вт/м2*Квертикальная l=2м p=0.00641,535*1014144,51516970533361,535*101496,343153404819101,535*101457,806135004241121,535*101448,172129004052вертикальная l=4м41,228*1015144,515285404485,061,228*101596,343257904052,0101,228*101557,806227003567,0121,228*101548,172216903408,0горизонтальная d=0.018м41,119*108144,515382,86213370,061,119*10896,343345,95512080,0101,119*10857,806304,47910630,0121,119*10848,172290,91210160,0горизонтальная d=0.022м42,043*108144,515445,0461271062,043*10896,343402,14511490102,043*10857,806353,93210110122,043*10848,172338,1629660вертикальная l=2м p=0.0646,714*1014136,21919630665166,714*101490,813177406010106,714*101454,488156105289126,714*101445,406149205054вертикальная l=4м45,371*1015136,21933020559365,371*101590,813298305054105,371*101554,488262604448125,371*101545,406250904249горизонтальная d=0.018м44,895*108136,219442,8551667064,895*10890,813400,16515060104,895*10854,488352,1913260124,895*10845,406336,49712670горизонтальная d=0.022м48,937*108136,219514,7831585068,937*10890,813465,15914330108,937*10854,488409,39212610128,937*10845,406391,15112050Δt, 0CArKaNuα, Вт/м2*Квертикальная l=2м p=0.646,71*1014119,48621700741266,71*101479,658196106698106,71*101447,795172605895126,71*101439,829164905632вертикальная l=4м41,69*1016119,48636500623361,69*101679,658329805632101,69*101647,795290204957121,69*101639,829277304736горизонтальная d=0.018м41,54*109119,486489,5321858061,54*10979,658442,34216790101,54*10947,795389,31114770121,54*10939,829371,96414120горизонтальная d=0.022м42,82*109119,486569,0421767062,82*10979,658514,18715970102,82*10947,795452,54214050122,82*10939,829432,37813430вертикальная l=2м p=644,51*101572,71221920637664,51*101548,475198105761104,51*101529,085174405070124,51*101524,237166604844вертикальная l=4м41,69*101672,71236870536161,69*101648,475333204844101,69*101629,085293204264121,69*101624,237280204074горизонтальная d=0.018м43,29*10972,712494,5511598063,29*10948,475446,87814440103,29*10929,085393,30212710123,29*10924,237375,77812140горизонтальная d=0.022м46*10972,712574,8761520066*10948,475519,45913730106*10929,085457,18212090126*10924,237436,81111550

влияние степени сухости пара учитывается критерием Кутателадзе Ка. Для влажного пара значение критерия Ка определяется по формуле:

(4.6)

Таблица 4.3 — влияние степени сухости пара на коэффициент теплообмена

Δt, 0CGaKaNuα, Вт/м2*Квертикальная l=2м p=0.006 x=0,541,535*101472,25814270448561,535*101448,172129004052101,535*101428,903113503567121,535*101424,086108403408x=0,841,535*1014115,61216050504461,535*101477,075145004558101,535*101446,245127704011121,535*101438,537122003833x=141,535*1014144,51516970533361,535*101496,343153404819101,535*101457,806135004241121,535*101448,172129004052вертикальная l=4м x=0,541,228*101572,25824000377161,228*101548,172216903408101,228*101528,903190902999121,228*101524,086182402866x=0,841,228*1015115,61227000424161,228*101577,075243903833101,228*101546,245214703373121,228*101538,537205103223x=141,228*1015144,51528540448561,228*101596,343257904052101,228*101557,806227003567121,228*101548,172216903408горизонтальная d=0.018м x=0,541,119*10872,258321,9471124061,119*10848,172290,91210160101,119*10828,903256,0358940121,119*10824,086244,6278541x=0,841,119*108115,612362,0891264061,119*10877,075327,18411420101,119*10846,245287,95910050121,119*10838,537275,1289606x=141,119*108144,515382,8621337061,119*10896,343345,95512080101,119*10857,806304,47910630121,119*10848,172290,91210160горизонтальная d=0.022м x=0,542,043*10872,258374,2381069062,043*10848,172338,1629660102,043*10828,903297,628502122,043*10824,086284,3598123x=0,842,043*108115,612420,8991202062,043*10877,075380,32510860102,043*10846,245334,7289562122,043*10838,537319,8149136x=142,043*108144,515445,0461271062,043*10896,343402,14511490102,043*10857,806353,93210110122,043*10848,172338,1629660вертикальная l=2м p=0.06 x=0,546,714*101468,1116510559366,714*101445,406149205054106,714*101427,244131304448126,714*101422,703125404249x=0,846,714*1014108,97518570629066,714*101472,65167805684106,714*101443,59147705002126,714*101436,325141104779x=146,714*1014136,21919630665166,714*101490,813177406010106,714*101454,488156105289126,714*101445,406149205054вертикальная l=4м x=0,545,371*101568,1127760470365,371*101545,406250904249105,371*101527,244220803740125,371*101522,703211003573x=0,845,371*1015108,97531230528965,371*101572,65282204779105,371*101543,59248304206125,371*101536,325237304019x=145,371*1015136,21933020559365,371*101590,813298305054105,371*101554,488262604448125,371*101545,406250904249горизонтальная d=0.018м x=0,544,895*10868,11372,3951402064,895*10845,406336,49712670104,895*10827,244296,15511150124,895*10822,703282,95910650x=0,844,895*108108,975418,8271577064,895*10872,65378,45314250104,895*10843,59333,08112540124,895*10836,325318,23911980x=144,895*108136,219442,8551667064,895*10890,813400,16515060104,895*10854,488352,1913260124,895*10845,406336,49712670горизонтальная d=0.022м x=0,548,937*10868,11432,8791333068,937*10845,406391,15112050108,937*10827,244344,25610600128,937*10822,703328,91710130x=0,848,937*108108,975486,8521499068,937*10872,65439,9213550108,937*10843,59387,17911920128,937*10836,325369,92711390x=148,937*108136,219514,7831585068,937*10890,813465,15914330108,937*10854,488409,39212610128,937*10845,406391,15112050Δt, 0CArKaNuα, Вт/м2*Квертикальная l=2м p=0.6 x=0,542,118*101559,74318250623362,118*101539,829164905632102,118*101523,897145104957122,118*101519,914138704736x=0,842,118*101595,58920520701062,118*101563,726185506334102,118*101538,236163205575122,118*101531,863155905326x=142,118*1015119,48621700741262,118*101579,658196106698102,118*101547,795172605895122,118*101539,829164905632вертикальная l=4м x=0,541,694*101659,74330690524161,694*101639,829277304736101,694*101623,897244104168121,694*101619,914233203982x=0,841,694*101695,58934520589561,694*101663,726311905326101,694*101638,236274504688121,694*101631,863262304479x=141,694*1016119,48636500623361,694*101679,658329805632101,694*101647,795290204957121,694*101639,829277304736горизонтальная d=0.018м x=0,541,544*10959,743411,6461562061,544*10939,829371,96414120101,544*10923,897327,3712420121,544*10919,914312,78311870x=0,841,544*10995,589462,9711757061,544*10963,726418,34215880101,544*10938,236368,18713970121,544*10931,863351,78213350x=141,544*109119,486489,5321858061,544*10979,658442,34216790101,544*10947,795389,31114770121,544*10939,829371,96414120горизонтальная d=0.022м x=0,542,819*10959,743478,5051486062,819*10939,829432,37813430102,819*10923,897380,54111820122,819*10919,914363,58511290x=0,842,819*10995,589538,1661671062,819*10963,726486,28815100102,819*10938,236427,98813290122,819*10931,863408,91812700x=142,819*109119,486569,0421767062,819*10979,658514,18715970102,819*10947,795452,54214050122,819*10939,829432,37813430вертикальная l=2м p=6 x=0,544,508*101536,35618440536164,508*101524,237166604844104,508*101514,542146604264124,508*101512,119140104074x=0,844,508*101558,1720730603064,508*101538,78187405448104,508*101523,268164904795124,508*101519,39157504581x=144,508*101572,71221920637664,508*101548,475198105761104,508*101529,085174405070124,508*101524,237166604844вертикальная l=4м x=0,543,607*101636,35631000450863,607*101624,237280204074103,607*101614,542246603585123,607*101612,119235603425x=0,843,607*101658,1734870507063,607*101638,78315104581103,607*101623,268277304032123,607*101619,39265003853x=143,607*101672,71236870536163,607*101648,475333204844103,607*101629,085293204264123,607*101624,237280204074горизонтальная d=0.018м x=0,543,287*10936,356415,8671344063,287*10924,237375,77812140103,287*10914,542330,72610690123,287*10912,119315,9910210x=0,843,287*10958,17467,7181511063,287*10938,78422,63113660103,287*10923,268371,96212020123,287*10919,39355,38911480x=143,287*10972,712494,5511598063,287*10948,475446,87814440103,287*10929,085393,30212710123,287*10924,237375,77812140горизонтальная d=0.022м x=0,546,001*10936,356483,4111278066,001*10924,237436,81111550106,001*10914,542384,44310160126,001*10912,119367,3139711x=0,846,001*10958,17543,6841437066,001*10938,78491,27412990106,001*10923,268432,37611430126,001*10919,39413,11110920x=146,001*10972,712574,8761520066,001*10948,475519,45913730106,001*10929,085457,18212090126,001*10924,237436,81111550Для перегретого пара критерий Кутателадзе вычисляется по формуле:

(4.7)

где hп и h" — энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара

Энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара являются табличными значениями, поэтому эти данные приведены в таблице.

Таблица 4.4 — Табличные значения энтальпии перегретого и сухого насыщенного пара

tпр,0Ch, Дж/кгtпр,0Ch, Дж/кгtпр,0Ch, Дж/кгtпр,0Ch, Дж/кгp=0,006 МПаp=0,06 МПаp=0,6 МПаp=6МПа 02567,08802653,58202756,41302783,43162578,39762665,49462770,19762808,392122589,732122677,314122783,835122833,359202604,835202693,074202802,141202868,022

Таблица 4.5 — влияние степени перегрева пара на коэффициент теплообмена

Δt, 0CGaKaNuα, Вт/м2*Квертикальная l=2м p=0.006 tпр =641,535*1014145,1921699053406 1,535*101496,79415350482510 1,535*101458,07713510424612 1,535*101448,397129104057tпр=12 41,535*1014145,871701053466 1,535*101497,24715370483010 1,535*101458,34813530425112 1,535*101448,623129304062 tпр =20 41,535*1014146,7731704053546 1,535*101497,84915400483810 1,535*101458,70913550425812 1,535*101448,924129504068вертикальная l=4м tпр =641,228*1015145,1922858044906 1,228*101596,79425820405710 1,228*101558,07722730357112 1,228*101548,397217103412 tпр =12 41,228*1015145,872861044956 1,228*101597,24725850406210 1,228*101558,34822750357512 1,228*101548,623217403416tпр =20 41,228*1015146,7732865045026 1,228*101597,84925890406810 1,228*101558,70922790358012 1,228*101548,924217703421горизонтальная d=0.018м tпр =641,119*108145,192383,309133806 1,119*10896,794346,3591209010 1,119*10858,077304,8351064012 1,119*10848,397291,25210170tпр =12 41,119*108145,87383,756134006 1,119*10897,247346,7631211010 1,119*10858,348305,191066012 1,119*10848,623291,59210180 tпр =20 41,119*108146,773384,349134206 1,119*10897,849347,2991213010 1,119*10858,709305,6621067012 1,119*10848,924292,04210200горизонтальная d=0.022м tпр =642,043*108145,192445,566127306 2,043*10896,794402,6141150010 2,043*10858,077354,3461012012 2,043*10848,397338,5579672 tпр =12 42,043*108145,87446,085127406 2,043*10897,247403,0841151010 2,043*10858,348354,7591013012 2,043*10848,623338,9529683 tпр =20 42,043*108146,773446,775127606 2,043*10897,849403,7061153010 2,043*10858,709355,3071015012 2,043*10848,924339,4759698вертикальная l=2м p=0.06 tпр =646,714*1014136,9271966066596 6,714*101491,28417760601710 6,714*101454,77115630529612 6,714*101445,642149405060tпр =12 46,714*1014137,6291968066686 6,714*101491,75217790602510 6,714*101455,05115650530312 6,714*101445,876149605067 tпр =20 46,714*1014138,5651972066796 6,714*101492,37617820603510 6,714*101455,42615680531212 6,714*101446,188149805075вертикальная l=4м tпр =645,371*1015136,9273306056006 5,371*101591,28429870506010 5,371*101554,77126290445312 5,371*101545,642251204255 tпр =12 45,371*1015137,6293310056076 5,371*101591,75229910506710 5,371*101555,05126320445912 5,371*101545,876251504260 tпр =20 45,371*1015138,5653316056176 5,371*101592,37629960507510 5,371*101555,42626370446712 5,371*101546,188251904268горизонтальная d=0.018м tпр =644,895*108136,927443,429166906 4,895*10891,284400,6831508010 4,895*10854,771352,6461327012 4,895*10845,642336,93312680 tпр =12 44,895*108137,629443,996167106 4,895*10891,752401,1961510010 4,895*10855,051353,0971329012 4,895*10845,876337,36412700 tпр =20 44,895*108138,565444,749167406 4,895*10892,376401,8761513010 4,895*10855,426353,6961331012 4,895*10846,188337,93612720горизонтальная d=0.022м tпр =648,937*108136,927515,45158706 8,937*10891,284465,7621434010 8,937*10854,771409,9231262012 8,937*10845,642391,65812060 tпр =12 48,937*108137,629516,11159006 8,937*10891,752466,3581436010 8,937*10855,051410,4471264012 8,937*10845,876392,15912080 tпр =20 48,937*108138,565516,985159206 8,937*10892,376467,1491439010 8,937*10855,426411,1431266012 8,937*10846,188392,82412100Δt, 0CArKaNuα, Вт/м2*Квертикальная l=2м p=0.6 tпр =642,118*1015120,27621740742462,118*101580,184196406709102,118*101548,11172905904122,118*101540,092165205641tпр =1242,118*1015121,05721770743662,118*101580,705196706720102,118*101548,423173105914122,118*101540,352165405650tпр =2042,118*1015122,10621820745262,118*101581,404197206734102,118*101548,842173505927122,118*101540,702165805663вертикальная l=4м tпр =641,694*1016120,27636560624361,694*101680,184330305641101,694*101648,11290704965121,694*101640,092277804744tпр =1241,694*1016121,05736620625361,694*101680,705330905650101,694*101648,423291204973121,694*101640,352278204751tпр =2041,694*1016122,10636690626761,694*101681,404331605663101,694*101648,842291804984121,694*101640,702278804762горизонтальная d=0.018м tпр =641,544*109120,276490,3391861061,544*10980,184443,07116810101,544*10948,11389,95214800121,544*10940,092372,57714140tпр =1241,544*109121,057491,1331864061,544*10980,705443,78916840101,544*10948,423390,58414820121,544*10940,352373,18114160tпр =2041,544*109122,106492,1931868061,544*10981,404444,74716880101,544*10948,842391,42714860121,544*10940,702373,98614190горизонтальная d=0.022м tпр =642,819*109120,276569,9791770062,819*10980,184515,03415990102,819*10948,11453,28814070122,819*10940,092433,09113450tпр =1242,819*109121,057570,9031773062,819*10980,705515,86916020102,819*10948,423454,02214100122,819*10940,352433,79213470tпр =2042,819*109122,106572,1351777062,819*10981,404516,98216050102,819*10948,842455,00214130122,819*10940,702434,72813500вертикальная l=2м p=6 tпр =644,508*101573,86922010640164,508*101549,246198905784104,508*101529,548175005090124,508*101524,623167204863tпр =1244,508*101575,02622100642664,508*101550,017199705806104,508*101530,010175705110124,508*101525,009167904882tпр =2044,508*101576,63222210646064,508*101551,088200705837104,508*101530,653176705137124,508*101525,544168804908вертикальная l=4м tпр =643,607*101673,86937020538263,607*101649,246334504863103,607*101629,548294404280123,607*101624,623281304090tпр =1243,607*101675,02637160540363,607*101650,017335804882103,607*101630,010295504297123,607*101625,009282404106tпр =2043,607*101676,63237360543263,607*101651,088337604908103,607*101630,653297104320123,607*101625,544283904127горизонтальная d=0.018м tпр =643,287*10973,869496,5071604063,287*10949,246448,64414500103,287*10929,548394,85712760123,287*10924,623377,26312190tпр =1243,287*10975,026498,4391611063,287*10950,017450,39114550103,287*10930,010396,39412810123,287*10925,009378,73212240tпр =2043,287*10976,632501,0861619063,287*10951,088452,78214630103,287*10930,653398,49912880123,287*10925,544380,74312300горизонтальная d=0.022м tпр =646,001*10973,869577,1491526066,001*10949,246521,51313790106,001*10929,548458,98912130126,001*10924,623438,53811590tпр =1246,001*10975,026579,3951532066,001*10950,017523,54313840106,001*10930,010460,77612180126,001*10925,009440,24511640tпр =2046,001*10976,632582,4721540066,001*10951,088526,32313910106,001*10930,653463,22312250126,001*10925,544442,58311700

Изменение физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода учитывается коэффициентом:

(4.8)

где величины λс и μс выбираются из таблиц при температуре стенки tc, а λs и μs — при температуре насыщения ts.

Таблица 4.6 — tc, 0Cλ*102, Вт/м*Кμ*106, Па*сtc, 0Cλ*102, Вт/м*Кμ*106, Па*сp=0,006 МПа p=0,06 МПа 32,1662,1672769,53981,92667,5156346,97530,1661,8272799,06879,92667,3956355,07326,1661,0704879,28275,92667,1556375,45824,1660,6904919,80973,92667,0356385,689tc, 0Cλ*102, Вт/м*Кμ*106, Па*сtc, 0Cλ*102, Вт/м*Кμ*106, Па*сp=0,6 МПа p=6МПа 154,8368,3517179,931271,5958,7615101,478152,8368,3717182,504269,5959,0615102,229148,8368,4117187,879265,5959,6615103,72146,8368,4317190,835263,5959,9615104,459

Таблица 4.7 — влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на коэффициент теплообмена

Δt, 0Cεα, Вт/м2*К горизонтальной трубы d=0,018 м α, Вт/м2*К горизонтальной трубы d=0,022 мα, Вт/м2*К вертикальной трубы d=0,018 мα, Вт/м2*К вертикальной трубы d=0,018 мp=0,006 МПа 40,98613182,8212532,065333,04485,060,97811814,2411237,224819,04052,0100,96310236,699735,934241,03567,0120,9569712,969234,964052,03408,0p=0,06 МПа 40,99316553,3115739,056651,05593,060,98914894,3414172,376010,05054,0100,98113008,0612370,415289,04448,0120,97712378,5911772,855054,04249,0p=0,6 МПа 40,99718524,2617616,997412,06233,060,99516706,0515890,156698,05632,0100,99214651,8413937,65895,04957,0120,9913978,813295,75632,04736,0p=6,0МПа 41,00216011,9615230,46376,05361,061,00314483,3213771,195761,04844,0101,00512773,5512150,455070,04264,0121,00612212,8411619,34844,04074,0

На вертикальных поверхностях под действием сил поверхностного натяжения сконденсированной среды развивается волновое течение плёнки конденсата. Его влияние учитывается коэффициентом:

(4.9)

Критерий Рейнольдса вычисляется по формуле:

(4.10)

При конденсации пара на горизонтальной трубе волновое течение не успевает развиться, и поэтому этот фактор не учитывается.

Таблица 4.8 — влияние волнового характера движения плёнки на коэффициент теплообмена

Δt, 0CGaReεα, Вт/м2*Кh=2 м p=0,006 МПа 41,535*101424,851,137533361,535*101433,6811,1514819101,535*101449,4061,1694241121,535*101456,6451,1754052h=4 м 41,228*101541,7921,161448561,228*101556,6451,1754052101,228*101583,091,1933567121,228*101595,2651,203408h=2 м p=0,06 МПа46,714*101470,121,19665166,714*101495,0411,206010106,714*1014139,4121,225289126,714*1014159,841,235054h=4 м 45,371*1015117,9281,21559365,371*1015159,841,2255054105,371*1015234,4621,2444448125,371*1015268,8181,254249h=2 м p=0,6 МПа42,12*1015162,9911,23741262,12*1015220,9191,246698102,12*1015324,0551,265895122,12*1015371,541,275632h=4 м 41,696*1016274,1171,25623361,696*1016371,541,2675632101,696*1016544,9941,2874957121,696*1016624,8531,294736h=2 м p=6 МПа44,512*1015328,3851,26637664,512*1015445,0941,285761104,512*1015652,8881,305070124,512*1015748,5571,304844h=4 м 43,61*1016552,2761,29536163,61*1016748,5571,3034844103,61*101611001,3234264123,61*101612601,334074

Конденсатная плёнка, образуясь, стекает вниз под действием силы тяжести. Попутное движение пара интенсифицирует теплообмен, ускоряя движение плёнки. движение пара во встречном направлении к направлению движения плёнки наоборот затрудняет теплообмен, утолщая плёнку. Это влияние учитывается коэффициентом

(4.11)

где ; (4.12)

; (4.13)

; (4.14)

d- наружный диаметр трубы, м

Таблица 4.9 — влияние попутного движения пара на коэффициент теплообмена

Δt, 0CRFrKaxεα, Вт/м2*К h=2 мα, Вт/м2*К h=4 м р=0,006 МПаw=8 м/сd=0,018м 4180,804362,4428,5*108253,1956,04232221,9927098,376180,804362,4425,667*108221,1865,84228152,623671,78410180,804362,4423,4*108186,5555,59923745,3619971,63312180,804362,4422,833*108175,5555,51422342,7318791,712d=0,022м 4180,804296,5438,5*108253,1955,74730648,7525775,2956180,804296,5435,667*108221,1865,55626774,3622512,91210180,804296,5433,4*108186,5555,32522583,3318994,27512180,804296,5432,833*108175,5555,24521252,7417874,96w=16 м/сd=0,018м 4180,80414508,5*108253,1958,54445565,1538319,846180,80414505,667*108221,1868,2639804,9433469,5210180,80414503,4*108186,5557,91633571,7628236,37212180,80414502,833*108175,5557,79731593,4426572,176d=0,022м 4180,80411908,5*108253,1958,12643335,9636445,116180,80411905,667*108221,1867,85637858,0631832,51210180,80411903,4*108186,5557,52931930,4926855,94312180,80411902,833*108175,5557,41530045,5825270,32 р=0,06 МПаw=8 м/сd=0,018м 4123,55362,4421,733*109276,006,7945160,2937976,476123,55362,4421,155*109241,116,5739455,6533179,5110123,55362,4426,932*108203,366,2933273,127982,36812123,55362,4425,777*108191,376,2031319,6426331,053d=0,022м 4123,55296,5431,733*109276,006,4642952,1636119,5946123,55296,5431,155*109241,116,2437526,4431557,17610123,55296,5436,932*108203,365,9831649,3826616,83212123,55296,5435,777*108191,375,8929788,2825043,606w=16 м/сd=0,018м 4123,5514501,733*109276,009,6063862,953703,9866123,5514501,155*109241,119,2855790,8346916,28210123,5514506,932*108203,368,9047050,9439569,40812123,5514505,777*108191,378,7644283,1537229,738d=0,022м 4123,5511901,733*109276,009,1360736,9351075,2766123,5511901,155*109241,118,8353062,2944621,76610123,5511906,932*108203,368,4644750,2337634,52812123,5511905,777*108191,378,3342114,9835406,917 р=0,6 МПаw=8 м/сd=0,018м 489,88362,4422,984*109299,347,5055612,2446766,199689,88362,4421,989*109261,507,2548587,2940854,5281089,88362,4421,194*109220,556,9540982,0434461,0641289,88362,4429,947*108207,556,8538562,332427,392d=0,022м 489,88296,5432,984*109299,347,1452892,0344478,688689,88296,5431,989*109261,506,9046209,538855,1681089,88296,5431,194*109220,556,6138977,7432775,6841289,88296,5439,947*108207,556,5136675,5830840,832w=16 м/сd=0,018м 489,8814502,984*109299,3410,6178641,3266132,13689,8814501,989*109261,5010,2668708,0857773,0561089,8814501,194*109220,559,8357947,8548727,311289,8814509,947*108207,559,6854529,0245853,952d=0,022м 489,8811902,984*109299,3410,0974794,4962897,203689,8811901,989*109261,509,7665345,6954945,7921089,8811901,194*109220,559,3555112,3646342,9931289,8811909,947*108207,559,2151859,4643609,088 р=6 МПаw=8 м/сd=0,018м 464,19362,4423,923*109341,158,4353768,8145209,313664,19362,4422,615*109298,038,1546969,4339493,1321064,19362,4421,569*109251,367,8139611,9133314,6321264,19362,4421,308*109236,547,7037274,5831349,43d=0,022м 464,19296,5433,923*109341,158,0251135,5242995,22664,19296,5432,615*109298,037,7544670,7937560,3761064,19296,5431,569*109251,367,4337675,1731685,7841264,19296,5431,308*109236,547,3235453,2429817,606w=16 м/сd=0,018м 464,1914503,923*109341,1511,9376033,8063929,925664,1914502,615*109298,0311,5366418,5755846,4761064,1914501,569*109251,3611,0556018,4347112,9361264,1914501,308*109236,5410,8852712,4144333,268d=0,022м 464,1911903,923*109341,1511,3472316,5960804,462664,1911902,615*109298,0310,9763169,3753114,461064,1911901,569*109251,3610,5153275,5644806,1121264,1911901,308*109236,5410,3550135,4042165,9

Вследствие притока к охлаждаемой стенке вместе с конденсирующимся паром неконденсирующегося воздуха у стенки образуются повышенная концентрация газа и пониженное парциальное давление пара при неизменном давлении смеси пара и воздуха (законназываемый стефановский поток, что снижает интенсивность теплообмена. Этот фактор учитывается коэффициентом

(4.15)

где tж — температура насыщения при парциальном давлении пара в смеси с воздухом;

tсм — температура парогазовой смеси, принимаемой равной температуре насыщения при заданном давлении смеси.

Температуру tж определяют из условия: pп = pсм — pв, где давление смеси принимается равным заданному, а парциальное давление воздуха

(4.16)

Таблица 4.10 — Влияние наличия в паре воздуха на коэффициент теплообмена

pв, МПаpп, МПаtж, 0Ctc, 0Cεα, Вт/м2*К h=2 мα, Вт/м2*К h=4 мα, Вт/м2*К d=0,018 мα, Вт/м2*К d=0,022 м р=0,006 МПаr=6 0,000120,0058835,79232,160,9084842,364072,3812139,9611540,680,000120,0058835,79230,160,9394525,043804,82811343,1210789,110,000120,0058835,79226,160,9634084,083435,02110236,699735,930,000120,0058835,79224,160,9693926,383302,3529845,049360,54r=12 0,000360,0056435,03732,160,7193834,423224,7159613,039138,490,000360,0056435,03730,160,8133917,843294,2769821,049341,370,000360,0056435,03726,160,8883766,003167,4969439,448977,680,000360,0056435,03724,160,9063671,113087,6489204,968751,96 r=20 0,00060,005434,25232,160,5232789,152345,6556992,516647,330,00060,005434,25230,160,6823286,552763,4648238,567836,180,00060,005434,25226,160,8093430,962885,7038599,678178,990,00060,005434,25224,160,8413407,732866,1288544,568124,06 р=0,06 МПаr=6 0,00120,058885,40881,9260,875786,374865,9114502,913789,50,00120,058885,40879,9260,9145493,144619,35613764,8413097,620,00120,058885,40875,9260,9485013,974216,70412570,4811954,280,00120,058885,40873,9260,9574836,674066,29312125,1911531,85 r=12 0,00360,056484,34681,9260,6054023,853383,76510085,359589,250,00360,056484,34679,9260,7374429,373724,79811099,2210561,210,00360,056484,34675,9260,8424453,333745,21611164,9210617,620,00360,056484,34673,9260,8684386,873688,13210997,5610459,4r=20 0,0060,05483,24681,9260,332194,831845,695501,15230,50,0060,05483,24679,9260,5533323,532794,8628328,187924,490,0060,05483,24675,9260,7323871,543255,9369706,329230,520,0060,05483,24673,9260,7773926,953301,4739844,599362,85 р=0,6 МПаr=6 0,0120,588158,04154,830,8025944,424998,86614901,1614171,340,0120,588158,04152,830,8685813,864888,57614573,7213861,960,0120,588158,04148,830,9215429,294565,39713603,1712940,050,0120,588158,04146,830,9345260,284423,42413188,0812543,62r=12 0,0360,564156,43154,830,42964,82493,2743270680,0360,564156,43152,830,64018,83379,21007495820,0360,564156,43148,830,764480,23767,3211225,2106780,0360,564156,43146,830,84505,63788,81129610744 r=20 0,060,54154,76154,83-0,018—-0,060,54154,76152,830,3222156,7561813,5045406,385142,340,060,54154,76148,830,5933495,732939,5018758,618331,650,060,54154,76146,830,6613722,753130,4969333,328877,23 р=6 МПаr=6 0,125,88274,27271,590,674271,923591,8710706,6101840,125,88274,27269,590,784493,583778,3211263,210709,40,125,88274,27265,590,8684400,763701,15211032,2810494,120,125,88274,27263,590,894311,163625,8610804,610279,5 r=12 0,365,64271,58271,59-0,0025—-0,365,64271,58269,590,3321912,6521608,2084794,084558,360,365,64271,58265,590,5993036,932554,1367613,297241,910,365,64271,58263,590,6663226,1042713,2848085,247692,3r=20 0,65,4268,8271,59-0,697—-0,65,4268,8269,59-0,132—-0,65,4268,8265,590,3211627,471368,7444079,913880,890,65,4268,8263,590,4342102,291768,1165268,765012,7

При определении необходимого числа конденсатоотводчиков исходят из равенства коэффициентов теплоотдачи для вертикального и горизонтального расположения труб, но при этом необходимо учесть некоторое повышение интенсивности теплообмена на вертикальной стенке за счёт развивающегося волнового течения плёнки конденсата. Тогда длина промежутка между кондесатоотводчиками на вертикальной стенке:

м (4.17)

Отсюда число конденсатоотводчиков определяется по формуле:

(4.18)

Таблица 4.11 — Число конденсатоотводчиков

d, мh, мn0,0180,1045100,0220,1277068

Среднее (4.19)

где α1 — коэффициент теплообмена для первого ряда труб пучка, рассчитываемого с учётом влияния давления пара и изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода;

αi — коэффициент теплоотдачи последующих рядов труб в пучке, определяемых из выражения αi = εi * α1 c использованием коэффициентов εi, являющихся табличными значениями.

Таблица 4.12 — Δt, 0Cα, Вт/м2*К d=0,018 м шахматный порядокα, Вт/м2*К d=0,022 м шахматный порядокα, Вт/м2*К d=0,018 м коридорный порядокα, Вт/м2*К d=0,022 м коридорный порядок p=0,006 МПа 411120105709689921169968948186838259108637821575247156128195779271396788 p=0,06 МПа413970132801217011570612570119601095010420101098010440956190921210440993390988653 p=0,6 МПа4156301486013620129506141001341012280116801012360117601077010240121179011220102709772 p=6 МПа413510128501177011190612220116201065010120101078010250938989311210300980489768540

Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб определяется по формуле:

(4.20)

где

(4.21)

n0 — общее число труб в пучке.

Таблица 4.13 — d=0,018 м l=2 мd=0,018 м l=4 мd=0,022 м l=2 мd=0,022 м l=4 мF=9,953 м2F=19,905 м2F=12,164 м2F=24,328 м2

Таблица 4.14 — Δt, 0CQ, Вт Шахматная компоновкаQ, Вт Шахматная компоновкаd=0,018 м l=2 мd=0,018 м l=4мd=0,022 м l=2 мd=0,022 м l=4 м p=0,006 МПа4442709,44885374,4514293,921028587,846595269,021190478,24691961,31383922,60810859640,611719194,85999272,61998545,212978778,021957457,71137382,72274765,312 p=0,06 МПа4556173,641112291,4646151,681292303,366750655,261501235,1872888,641745777,28101092839,421855691269921,62539843,2121246911,82493698,41449900,12899800,288 p=0,6 МПа4622261,561244460,6723028,161446056,326842023,81683963978715,441957430,88101230190,824602581430486,42860972,8121408150,42816159,416377613275521,92 p=6 МПа4537860,121075666,2625229,61250459,26729753,961459434,6848074,081696148,16101072933,4214575912468102493620121230190,824602581431070,32862140,544Δt, 0CQ, Вт Коридорная компоновкаQ, Вт Коридорная компоновкаd=0,018 м l=2 мd=0,018м l=4 мd=0,022 м l=2 мd=0,022 м l=4 м p=0,006 МПа 4385738,468771438,2448170,42896340,836518531,3941037011602774,861205549,710748863,721497652870455,841740911,712852653,6041705222990830,781981661,6 p=0,06 МПа 4484512,04968975,4562949,921125899,86653912,11307759760493,281520986,610951606,3319031171105950,92211901,8121086628,72821731481263061,12526122,2 p=0,6 МПа 4542239,441084424630095,21260190,46733337,041466600852453,121704906,2101071938,121437691245593,62491187,2121226607,7224530921426399,32852798,6 p=6 МПа 4468587,24937127,4544460,641088921,36635996,71271930738598,081477196,210934487,1718688801086366,82172733,7121072057,53621440071246566,72493133,4

количество сконденсированного пара на трубном пучке определяется по формуле:

(4.22)

Таблица 4.15 — количество сконденсированного пара на трубном пучке

Δt, 0CM, кг Шахматная компоновкаM, кг Шахматная компоновкаd=0,018м l=2 мd=0,018м l=4мd=0,022м l=2 мd=0,022м l=4 м p=0,006 МПа40,1830,3670,2130,42660,2460,4930,2860,573100,3560,7120,4140,827120,4050,8100,4710,942 p=0,06 МПа40,2420,4850,2820,56360,3270,6540,3810,761100,4760,9530,5541,107120,5441,0870,6321,264 p=0,6 МПа40,2980,5970,3470,69360,4040,8070,4690,938100,5901,1790,6861,371120,6751,3500,7851,570 p=6,0 МПа40,3430,6860,3980,79760,4650,9300,5401,081100,6841,3670,7951,589120,7841,5680,9121,824Δt, 0CM, кг Коридорная компоновкаM, кг Коридорная компоновкаd=0,018м l=2 мd=0,018м l=4 мd=0,022м l=2 мd=0,022м l=4 м p=0,006 МПа 40,1600,3190,1860,37160,2150,4290,2500,499100,3100,6200,3600,721120,3530,7060,4100,820 p=0,06 МПа 40,2110,4220,2450,49160,2850,5700,3320,663100,4150,8300,4820,964120,4740,9470,5511,101 p=0,6 МПа 40,2600,5200,3020,60460,3520,7030,4090,817100,5141,0280,5971,194120,5881,1760,6841,368 p=6,0 МПа 40,2990,5970,3470,69460,4050,8110,4710,941100,5961,1910,6921,385120,6831,3660,7941,589

.2 Выводы

Конденсация пара — это процесс перехода пара в жидкое состояние или твердое. Конденсация пара встречается очень часто как в обыденной жизни (дождь, снег), так и в технических процессах (в конденсаторах паровых турбин). Конденсация может осуществляться как в объёме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена. В первом случае конденсация может происходить как самопроизвольно, при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения, так и искусственно, путем введения охлажденных частиц. Во втором же случае конденсат образуется на поверхности теплообмена в виде плёнки, но в ряде случаев в виде отдельных капель. поэтому различают плёночную и капельную конденсации пара. В этой работе будет рассмотрена плёночная конденсация пара.

процесс парообразования идёт при увеличении температуры жидкости, обратный ему — конденсации, с охлаждением пара. поэтому степень охлаждения пара относительно температуры насыщения имеет очень важную, если не решающую роль в этом процессе. Также конденсация пара характеризуется смачиванием поверхности. Так плёночная конденсация происходит на смачиваемой поверхности, а капельная — на несмачиваемой. Вообще же, эффект смачивания и сам процесс конденсации связан с действием сил поверхностного натяжения, действующих на молекулу конденсата. Действие этих сил различно на границе раздела паровой и жидкой фаз, в толще плёнки и на границе раздела жидкой фазы и твёрдой поверхности стенки. Рассмотрим случай, когда на стенке трубы образовалась капля, которая граничит ещё и с паровой фазой. здесь действуют 3 силы поверхностного натяжения: между стенкой и жидкостью, стенкой и газом, жидкостью и газом. Если сила поверхностного натяжения между стенкой и газом оказывается больше, чем между жидкостью и стенкой, то угол смачивания меньше 90 градусов и происходит плёночная, конденсация пара. В обратном случае происходит процесс капельной конденсации. однако на практике чаще встречаются промежуточные случаи частичного смачивания или частичного несмачивания поверхности.

При конденсации пара выделяется большое количество тепла, и прежде всего это тепло фазового перехода, однако передаче тепла пара к стенке препятствует слой конденсата или плёнка и граничный с жидкостью слой пара, толщина которого принимается равной длине свободного пробега молекул пара. Поэтому температура от пара к стенке трубы сначала скачком падает, а затем постепенно снижается в слое жидкости.

На интенсивность теплообмена данного процесса влияют многие факторы. При увеличении давления пара расстояние между молекулами уменьшается, это приводит к увеличению числа соударений их и как следствие к росту температуры пара. Чем больше давление, тем выше температура пара и температура его насыщения. Для конденсации пара на стенке трубы необходим температурный напор или разность температур между стенкой и температурой насыщения пара. Поэтому, чем выше давление и как следствие температура пара, тем меньше будет число молекул пара переходить в жидкое состояние, тоньше плёнка конденсата и ниже термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, а значит интенсивность теплообмена возрастает. Это подтверждают полученные зависимости.

Рисунок 4.1 — Влияние давления пара на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м

Рисунок 4.2 — влияние давления пара на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м

рисунок 4.3 — Влияние давления пара на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм

рисунок 4.4 — Влияние давления пара на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм

При увеличении давления до некоторого значения (приблизительно 0,5 МПа) происходит уплотнение пара, а значит большее количество молекул пара захватываются плёнкой, плёнка утолщается, растет термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, поэтому снижается интенсивность теплообмена. Положение трубы в пространстве не меняет характер изменения интенсивности теплообмена от давления. однако для вертикальной трубы большей длины коэффициент теплоотдачи ниже, потому что больше боковая поверхность трубы (в данном случае в 2 раза по сравнению с первой трубой), значит больше молекул пара будут захвачены плёнкой конденсата.

увеличение температурного напора ведёт к интенсификации конденсации из-за переохлаждения пара относительно температуры насыщения, утолщению плёнки, и как следствие — к уменьшению интенсивности теплообмена. Причём коэффициент теплоотдачи сильно снижается при увеличении температурного напора до определённого значения ( 12 градусов), дальнейшее снижение температуры стенки будет не так значительно влиять на коэффициент теплоотдачи.

рисунок 4.5 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.6 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.7 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.8 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.9 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.10 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,06 МПа

рисунок 4.11 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.12 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.13 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,6 МПа.

рисунок 4.14 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.15 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.16 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.17 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.18 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.19 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.20 — Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 6,0 МПа

Чем меньше влаги в паре, тем меньше молекул конденсируется на стенке, тем тоньше плёнка конденсата и меньше термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, а значит и больше интенсивность теплообмена. Поэтому рост степени сухости ведёт к увеличению коэффициента теплоотдачи. Увеличение диаметра горизонтальной трубы ведёт к увеличению её боковой поверхности, а значит большее число молекул пара может сконденсироваться на стенке трубы, следовательно снижается коэффициент теплоотдачи. Перегрев пара приводит к тому, что разность температур насыщения пара и стенки увеличивается , и меньшее число молекул сконденсирует на стенке. Увеличивая степень перегрева пара, улучшается теплообмен между стенкой и паром.

Рисунок 4.21 — влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.22 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.23 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.24 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.25 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.26 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.27 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.28 — Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 6,0 МПа

полученные зависимости ещё раз доказывают, что увеличение температурного напора между стенкой и паром ведёт к интенсификации конденсации пара, и как следствие снижению интенсивности теплообмена между паром и стенкой. однако это влияние при давлениях, больших 6 бар, оказывается незначительным, так как температура насыщения пара достигает температур свыше 200 градусов Цельсия и температурный напор даже в 12 градусов не оказывает большого влияния на интенсивность теплообмена.

Рисунок 4.29 — влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.30 — Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.31 — Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.32 — Влияние волнового характера движения плёнки на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 6,0 МПа

Плёнка образующегося на стенке трубы конденсата совершает волновое движение, которое происходит из-за воздействия на поверхность плёнки различных случайных возмущений. частицы жидкости поверхностного слоя получают смещение, а силы поверхностного натяжения восстанавливают равновесие, так и происходит волновое движение плёнки. Оно может совершаться при увеличении скорости пара или давления. Волновое движение плёнки приводит к тому, что в одном месте плёнка будет иметь толщину меньше своего среднего значения, а в другом месте — большую, среднее же значит термическое сопротивление плёнки становится меньше. Это приводит к увеличению интенсивности теплообмена. Из графиков видно, что увеличение давления ведёт к росту волнового движения. Это можно объяснить ростом хаотического движения паровых молекул, которые могут не только попадать в плёнку, но и отражаться от неё, вызывая тем самым возмущения.

рисунок 4.33 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.34 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.35 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.36 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.37 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.38 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 0,6 МПа.

рисунок 4.39 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 2 м при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.40 — Влияние попутного движения пара на интенсивность теплообмена вертикальных труб высотой 4 м при давлении пара 6,0 МПа.

Попутное движение пара относительно плёнки конденсата приводит к сносу плёнки, а при высоких скоростях пара и срыву с поверхности трубы, что приводит к уменьшению толщины плёнки и значительному увеличению коэффициента теплоотдачи в 5-8 раз.

Рисунок 4.41 — влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,006 МПа.

рисунок 4.42 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,06 МПа.

рисунок 4.43 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.44 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.45 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.46 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.47 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.48 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.49 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.50 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.51 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.52 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 18 мм при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.53 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.54 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.55 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.56 — Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 22 мм при давлении пара 6,0 Мпа

наличие воздуха в паре значительно влияет на процесс теплообмена. Воздух при движении в паре образует воздушную плёнку на стенке, так поверхность трубы не смачивается, воздух обладает большим термическим сопротивлением, поэтому интенсивность теплообмена сильно снижается с увеличение содержания воздуха в паре. Так при 6 процентах содержания воздуха в паре теплообмен нарушается, коэффициент теплоотдачи стремится к нулю при увеличении давления.

Рисунок 4.57 — Влияние шахматного порядка расположения труб диаметра 18 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 4.58 — Влияние коридорного порядка расположения труб диаметра 18 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 4.59 — Влияние шахматного порядка расположения труб диаметра 22 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 4.60 — Влияние коридорного порядка расположения труб диаметра 22 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 4.61 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.62 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.63 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.64 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.65 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 0,006 Мпа

рисунок 4.66 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 0,06 Мпа

рисунок 4.67 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 0,6 Мпа

рисунок 4.68 — Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 22 мм при давлении пара 6,0 Мпа

рисунок 4.69 — Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 2м

Рисунок 4.70 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 4 м

Рисунок 4.71 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 2 м.

Рисунок 4.72 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 4 м

Рисунок 4.73 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 2 м

Рисунок 4.74 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 18 мм и длины 4 м

Рисунок 4.75 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 2 м

Рисунок 4.76 — количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 4 м

По графикам можно сказать, что интенсивность теплообмена при шахматной компоновке труб больше, чем при коридорной, так как при движении потока пара между труб происходит значительная турбулизация потока и как следствие уменьшение толщины плёнки в результате её сноса и срыва. Однако пар при движении через шахматное расположение обтекает теплообменные поверхности труб лучше, чем при коридорном, поэтому большее количество пара конденсируется на поверхности труб. Увеличение длины труб в 2 раза приводит к увеличению количества сконденсированного пара в 2 раза, так как увеличивается поверхность конденсации.

Заключение

Тепломассообмен является в большей степени прикладной наукой, которая основывается на экспериментальных данных. многие процессы нельзя описать формулой, поэтому приходится искать зависимости, вводить критерии, чтобы описать их. Такие процессы как конденсация пара, кипение жидкости являются обыденными, однако именно они чаще всего происходят в технических усройствах, машинах, котельных установках, но до сих пор окончательно не изучены. Знание и умение рассчитывать эти процессы позволяет обеспечивать целые города теплом и электрической энергией. поэтому приобретение навыков практических расчетов и углубление знаний по этим процессам необходимы будущим специалистам в области теплоэнергетики.

Библиографический список

1.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 2008. 418 с.

2.Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Энергоатомиздат, 2009. 80с.

.Овсянников В.В., Кузнецов В.Н. Теоретические основы теплотехники ч.2 Тепломассообмен: Методические указания к проектированию по специальности 1007 — «Промышленная теплоэнергетика». Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2009. 37 с.

Учебная работа. Инженерный расчёт теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики