5 Теплообмін в разі зміни агрегатного стану речовини

5.1 Загальні відомості

Зміна агрегатного стану здійснюється під час конденсації (condensation) пари або кипіння (boiling) рідини. Конденсація – це процес перетворення пари в рідину. Пара певного тиску конденсується на поверхні теплообміну, температура якої нижча від температури насичення (t_ст < t_н). Розрізнюють краплинну (dropping) та плівкову (filmу) конденсацію. Краплинна виникає тоді, коли конденсат не змочує поверхні та рухається на ній у вигляді окремих крапель. В процесі плівкової конденсації конденсат змочує поверхню теплообміну та утворює суцільну плівку, яка рухається на поверхні (рис. 5.1). Під час плівкової конденсації пара переходить в рідкий стан на зовнішній поверхні плівки конденсату. Температура конденсату на поверхні стінки дорівнює температурі стінки. При цьому товщина теплового приграничного шару дорівнює товщині плівки конденсату δ. Різниця температур є рушійною силою процесу конденсації. На практиці краплинна конденсація зустрічається значно менше, ніж плівкова.

Для плівкової конденсації на вертикальних поверхнях визначальною температурою є температура насичення, а визначальним лінійним розміром , де , ρ' і ρ''  – густина рідкої і газоподібної фази, відповідно. Для заданого температурного напору Δt визначальним критерієм є так звана приведена висота поверхні (критерій Григуля)

     ,     (5.1)

де Н – висота поверхні, ,

r – теплота пароутворення.

Критерій Рейнольдса визначається за формулою

     ,     (5.2)

де , м/Вт.

Значення комплексів А і В для водяної пари наведено в таблиці 5.1.

Для ламінарного режиму течії плівки (Re < 1600 і Z < 2300)

     i .     (5.3)

За умови змішаної течії (Z > 2300)

     ;     (5.4)

     .     (5.5)

Таблиця 5.1 – Значення А і В для водяної пари

Для турбулентної течії (Z >> 2300)

     .     (5.6)

В разі конденсації на горизонтальних трубах

     ,     (5.7)

     ,     (5.8)

          (5.9)

     ,     (5.10)

де R – радіус труби, м.

В процесі конденсації пари на пучках горизонтальних труб в кожному наступному ряді труб товщина плівки збільшується, а швидкість пари зменшується. За таких умов інтенсивність тепловіддачі буде визначатись як добуток α₁ для першого ряду труб, визначений за (5.10), на поправковий коефіцієнт ε_z. Для шахового і коридорного пучків труб значення ε_z визначається відповідно за формулами [6]

     ,     (5.11)

     .

Cередній коефіцієнт тепловіддачі в разі конденсації пари на горизонтальних трубах залежить також від швидкості пари, а критеріальне рівняння теплообміну за умови має вигляд [4]

     ,     (5.12)

де ; ; .

У випадку конденсації пари всередині труб визначальним лінійним розміром є внутрішній діаметр труби. Середній по довжині коефіцієнт тепловіддачі можна визначати за формулами

     ,     (5.13)

де α_к – конвективний коефіцієнт тепловіддачі для турбулентної течії рідини в трубі, який визначається за формулою (3.11); ; ; х – масовий паровміст.

Швидкість рідини в критерії Рейнольда визначається або за відомою витратою пари G, кг/с, або за відомим тепловим потоком, тобто

     ; ,     (5.14)

де f – площа поперечного перерізу труби.

На виході з труби в разі повної конденсації х = 0 і ρ_см = ρ'. У вхідному перерізі х ≤ 1.

Кипіння – це процес перетворення рідини на пару (steam). Розрізнюють кипіння на твердій поверхні та кипіння в об’ємі рідини. Під час кипіння на твердій поверхні утворення парової фази виникає в окремих місцях цієї поверхні. В разі кипіння в об’ємі процес пароутворення виникає в усьому об’ємі у вигляді окремих бульбашок (bubble) пари. Об’ємне кипіння виникає в разі значного перегріву рідини відносно температури насичення для заданого тиску. Перегрів рідини має максимальне значення біля поверхні теплообміну. Утворення бульбашок пари здійснюється безпосередньо на поверхні теплообміну. Кипіння, при якому пара утворюється у вигляді безперервних бульбашок, називається бульбашковим кипінням.

Зі збільшенням теплового потоку до певної величини (критичного теплового потоку) окремі парові бульбашки зливаються і утворюють біля стінки суцільний паровий шар. Такий режим називається плівковим кипінням. Інтенсивність тепловіддачі в разі бульбашкового кипіння значно вища, ніж для плівкового, оскільки в першому випадку теплота передається рідкій фазі, яка має значно більший коефіцієнт теплопровідності. Основним термічним опором в разі кипіння, як і у випадку конвективного теплообміну без фазових перетворень, є термічний опір приграничного шару.

Критеріальними рівняннями для бульбашкового кипіння у великому об’ємі є співвідношення [4, 7].

     , коли Re_* ≥ 0,01;     (5.15)

     , коли Re_* < 0,01.     (5.16)

В формулах (5.15) і (5.16) позначено: ; ; ; ; σ – коефіцієнт поверхневого натягу; Т_н  абсолютна температура насичення, К.

Для відомого температурного напору останні формули будуть мати вигляд

     ;     (5.15, а)

     .     (5.16, а)

Формула (5.15, а) справедлива, коли , а формула (5.16 а)  коли .

Для спрощення обчислень значення характерних комплексів _*; [*/(rўў·r·n')]; [l/(rўў·r·n')] для води наведені в табл. 5.2.

Для води з тиском 1 <Р < 200 бар може бути запропонована більш проста емпірична формула

     ,     (5.17)

де Р_н – тиск насичення в барах;

q – питомий тепловий потік, Вт/м².

Критичне значення теплового потоку, коли бульбашковий режим кипіння переходить у плівковий

     .     (5.18)

Тепловіддача за умови вимушеної течії киплячої рідини в трубах обчислюється за формулою за умови, що ( 0,5 < α_к/α_w < 2)

     ,     (5.19)

де α_к і α_w – коефіцієнти тепловіддачі, які обчислені за формулами бульбашкового кипіння та за формулами вимушеної конвекції.

Якщо α_к/α_w < 0,5 то α = α_w. Якщо α_к/α_w > 2, то α = α_к.

Таблиця 5.2 – Значення комплексів для води залежно від температури насичення

Розрахунки коефіцієнтів тепловіддачі на горизонтальних трубах для плівкового кипіння у великому об’ємі здійснюється за формулою

          (5.20)

де – ефективна теплота пароутворення; теплофізичні властивості визначаються для середньої температури .

В разі плівкового кипіння на поверхні вертикальних труб інтенсивність тепловіддачі не залежить від висоти труби і визначається за співвідношенням

          (5.21)

Теплофізичні властивості пари, як і в (5.20), визначаються для середньої температури.

Контрольні запитання

1. За яких умов виникає процес конденсації? Поясніть її види.

2. Запишіть в загальному вигляді рівняння для визначення коефіцієнта тепловіддачі під час конденсації на вертикальних і горизонтальних трубах.

3. Назвіть фактори, які впливають на інтенсивність теплообміну в процесі конденсації.

4. Поясніть, як впливають домішки неконденсованих газів у парі на інтенсивність теплообміну при конденсації.

5. Поясніть, в якому випадку і чому інтенсивність теплообміну буде вищою: при конденсації перегрітої пари чи при конденсації насиченої пари.

6. Сформулюйте умови виникнення процесу кипіння і поясніть його механізм.

7. Чим характеризується інтенсивність тепловіддачі в разі кипіння?

8. Перерахуйте фактори, які впливають на інтенсивність теплообміну в процесі конденсації.

9. Як впливає розташування поверхні на інтенсивність теплообміну в процесі конденсації пари?

10. Поясніть, де за однакових умов буде вищою інтенсивність теплообміну: на одиночній трубі чи в пучку труб. Як впливає схема компонування труб в пучку на тепловіддачу під час конденсації?

11. Поясніть особливості конденсації пари із парогазової суміші.

12. Що називають кипінням? Які є режими кипіння?

13. Проаналізуйте залежність коефіцієнта тепловіддачі та питомого теплового потоку від температурного напору під час кипіння води у великому об’ємі.

14. Які фактори впливають на тепловіддачу в процесі кипіння?

15. Що називають кризою кипіння?

16. Як враховується вплив вимушеного руху середовища на тепловіддачу в процесі кипіння в трубах?

17. Поясніть особливості кипіння рідини в трубах.

18. Які умови необхідні для виникнення та існування бульбашкового кипіння?