Теплоотдача при конденсации пара.

Основная особенность процесса – тепло подводится и отводится при постоянной температуре.

Теплоотдача при конденсации насыщенных паров представляет собой одновременный перенос теплоты (определяемой теплотой парообразования) и массы (определяемой количеством сконденсированного пара).

Молекулы пара переносятся к охлаждаемой стенке вихрями турбулентного потока, конденсируются, и при этом происходит резкое уменьшение его объема, таким образом, возникает собственное поступательное движение к стенке. Образовавшийся конденсат стекает по стенке, а к стенке подходит собственный пар. Перенос теплоты и основной массы пара к стенке идет настолько быстро, что степень турбулизации потока не оказывает существенного влияния на процесс и не учитывается в расчетах.

На хорошо смачиваемых поверхностях возникает жидкая пленка конденсата, на не смачиваемой (плохо смачиваемой) поверхности образуются капли. При капельной конденсации коэффициент теплоотдачи в несколько раз выше, чем при пленочной конденсации. Однако организация капельной конденсации дороже пленочной. Поэтому на практике используется пленочная конденсация. Еще, в общем, процессе процесс теплопереноса, перенос тепла при пленочной конденсации не является лимитирующим. При пленочной конденсации пара термическое сопротивление сосредоточено в пленке конденсата.

Уравнение Фурье-Кирхгофа:

Процесс стационарный, т.е. остается:

(4.38)

Граничные условия: при

при

Интегрирование уравнения (4.38) с учетом граничных условий дает:

(4.39)

Отсюда:

Как известно тепловой поток на границе фаз:

(4.40)

Получаем . Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к определению толщины пленки конденсата.

Задача определения толщины пленки решается. Определяется скорость , далее расход конденсата (она на высоте переменная), далее определяется и .

(Коган, стр. 326-327).

(4.41)

Здесь теплота испарения.

Однако авторы учебников предлагают, в основном, критериальные зависимости вида:

Здесь критерий Галилея (характеризует отношение сил тяжести к силам вязкого трения), критерий конденсации (характеризует отношение теплоты фазового перехода к теплоте охлаждения конденсата на твердой стенке).

Для ламинарного режима:

(4.42)

для вертикальной стенки горизонтальная стенка (труба) с=0.72.

Для турбулентного потока:

(4.43)

Все физические константы определяются при средней температуре процесса

Формулы (4.42) и (4.43) получены для неподвижного пара. Теплоотдача при конденсации паров зависит от скорости и направления течения паров, от состояния поверхности конденсации, от состава паров и их перегрева.

- увеличивается, если поток уменьшает , и наоборот. Шероховатость увеличивает и уменьшает .

Конденсация паровых смесей. При конденсации паровой смеси ее состав меняется, что вызывает изменение температуры конденсации, равного, в конечном счете температуре конденсации самого низкокипящего компонента смеси. Таким образом, процесс конденсации паровой смеси протекает при переменной разности температур, значение которой зависит не только о физико-химических свойств смеси, но и от структуры потока охлаждающей жидкости и паровой смеси.

Конденсация парогазовой смеси. При наличии в паре даже небольших примесей воздуха или других неконденсирующихся газов резко уменьшается. Содержание в водяном паре 1% воздуха уменьшает на 60%, 3% воздуха – на 80%.

Инертные газы скапливаются у поверхности пленки, возникает дополнительное термическое сопротивление.

4.1.5.2 Теплоотдача при кипении жидкостей.

Этот вид теплоотдачи отличается высокой интенсивностью и часто встречается в химической технологии – выпаривание, перегонка жидкостей, испарители…

Для возникновения кипения необходимо, чтобы и наличие центров парообразования.

Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Кипение на поверхности – обусловлено подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью. Кипение в объеме жидкости – обусловлено наличием внутренних источников теплоты, или значительного перегрева жидкости, возникающего, например, при внезапном снижении давления (ниже равновесного).

Рассмотрим кипение на поверхности:

Для передачи теплоты от стенки к кипящей жидкости необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения .

В области АВ перегрев мал, мало активных центров парообразования, теплообмен определяется законами свободной конвекции около стенки,.

ВС – перегрева больше, больше центров парообразования, - резко возрастает. Происходит турбулизация пограничного слоя около стенки (рис.4.9)

Пузыри, поднимаясь и увеличиваясь в объеме, увлекают значительные массы жидкости. На это место поступает новая порция жидкости, таким образом, реализуется циркуляция жидкости. Здесь .

Рис.4.9

При происходит слияние близко образующихся пузырей. Если пузырька, то на поверхности стенки образуется паровая пленка, создающая дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Такой режим кипения называется пленочным.

Для воды

Рассмотрим движение пузырька. Достигнув определенного диаметра , пузырек отрывается от поверхности:

(4.44)

Здесь - краевой угол смачивания, - коэффициент поверхностного натяжения. В момент отрыва пузырька сила поверхностного натяжения жидкости, которая удерживает пузырек, равно Архимедовой подъемной силе. Поднимаясь, пузырек увеличивается в объеме за счет испарения жидкости внутри пузырька, сплющивается и приобретает форму гриба. Гриб имеет сложную траекторию, дробится и коалесценцизуется.

Таким образом, транспорт теплоты при пузырчатом кипении состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, а затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков в виде теплоты испарения.

Передача теплоты от стенки непосредственно пузырю ничтожно мала. Для того, чтобы теплота от жидкости передавалась пузырькам пара, жидкость должна иметь Т несколько ниже температуры пара. Поэтому жидкость несколько перегрета относительно температуры насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от физических свойств жидкости, давления, , свойств материала стенки, и.т.д.

Учесть все это трудно, трудно предлагать единую зависимость. Поэтому для определения в литературе предлагаются различные физические модели. Но общепринятой модели нет. Формальный вид:

(4.45) (n=0.6-0.7)

А – сложный комплекс многих величин. Иногда предлагают критериальное уравнение вида:

(4.46)

Значения A, m, n – обычно определяют экспериментально.

4.1.6. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей.

Этот случай химической технологии встречается реже, чем теплопередача через разделяющую стенку. Однако, иногда (охлаждение воды воздухом в аппарате с зернистым слоем и др.) такой вид теплообмена значительно проще организовать.

Система газ – жидкость. Теплообмен сопровождается процессами переноса массы из одной фазы в другую. Если жидкость охлаждается, то происходит испарение части жидкости и распространение ее в газовом потоке.

Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное, при температуре большей, чем температура кипения жидкости при заданном давлении.

В непосредственной близости к поверхности жидкости, газовая фаза насыщена паром с парциальным давлением , меньшим давления насыщенного пара .

В нашем случае, поэтому возникает поток из жидкости в газовую фазу. Этот поток переносит энергию (энтальпия испарения). В процессе испарения жидкость охлаждается (адиабатическое испарение):

(4.47)

Здесь температура газа,

температура мокрого термометра. (низшая температура жидкости, испаряющуюся и движущуюся над ней парогазовой смеси.)

Основное сопротивление в системах газ – жидкость сосредоточено в газовой фазе.

Примеры из химической технологии: скрубберы и градирни. Подобные процессы теплообмена сопровождаются процессами переноса массы из одной фазы в другую. Следовательно, перенос тепла идет дополнительно за счет массопередачи. При испарении, конденсации, сорбции и др. идет совместный процесс тепло - и массообмена. Они очень сложны. Поэтому нет достаточных обобщений.

рис.4.10

Система твердые частицы (неподвижная) – газ. Процесс теплообмена состоит из переноса теплоты из сплошной фазы теплоносителя к поверхности частиц материала (внешняя теплоотдача) и переноса теплоты внутри частиц.

Теплоотдача при движении теплоносителя через неподвижный слой зернистого материала зависит от

- размера и формы частиц

- пористости слоя

- физических свойств теплоносителя и др.

предложен рад зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи:

(4.48)

Здесь экспериментальные данные, при разных значенияхони разные.

Расчет переноса теплоты внутри твердой частицы существенно сложнее.

Соотношение между внешним и внутренним теплопереносом характеризуется критерием Био:

(4.49)

для шара .

Здесь коэффициент теплоотдачи, характерный размер, - теплопроводность твердого материала.

При малых значенияхосновное сопротивление во внешней фазе;

При больших значенияхосновное сопротивление внутри твердой фазы.

Для первого случая – расчет по формуле (4.48)

Для второго – материалы в специальной литературе.

Теплообмен в псевдоожиженном слое. Благодаря большой поверхности большой поверхности твердых частиц теплообмен в псевдоожиженном слое протекает очень интенсивно. Расчет затруднен из-за невозможности определения истинной поверхности и действительной разности температур между твердыми частицами и газом (жидкостью)

Теплообмен в псевдоожиженном слое складывается из конвективного переноса тепла от среды к твердым частицам и переноса тепла в твердой частице теплопроводностью.

Обработка опытных данных критериальная: для переноса тепла от среды к частице

(4.50)

, ,

В аппарате с псевдоожиженным слоем идет интенсивный теплообмен между слоем и стенкой. С увеличением скорости потока среды увеличивается , достигает , затем начинает уменьшаться.

4.1.7. Радиационно-конвективная теплоотдача. Тепловое излучение.

Во всех телах, температура которых выше 0ºК происходит превращение тепловой энергии в лучистую. Носители лучистой энергии являются электромагнитные колебания. Тепловое излучение аналогично излучению света: поглощается, отражается и преломляется.

Длины волн теплового излучения лежат, в основном, в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 0,8 – 40 мк. Световые волны 0,4 – 0,8 мк. Интенсивность светового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при ºС лучистый теплообмен между твердыми телами и газами приобретает доминирующее значение.