- •Учебно-методический материал Раздел №1 «Теоретические основы криогенной техники»
- •Оглавление
- •Тема № 1. Сжатие газов Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины
- •Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации
- •Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров
- •Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы s – т.
- •Групповое занятие № 1. Процессы одноступенчатого и многосту-пенчатого сжатия газов Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел
- •Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие.
- •Тема № 2. Очистка и осушка воздуха. Лекция №1. Очистка и осушка воздуха Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха
- •Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха
- •Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов
- •Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами
- •Практическое занятие № 1. Адсорберы воздухоразделительных установок и взрывобезопасность. Учебный вопрос № 1. Адсорберы вру и взрывоопасность
- •Тема № 3. Расширение газов. Лекция № 1. Дросселирование газов. Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования
- •Сжатый газ
- •Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность
- •Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров
- •Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров
- •Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы
- •Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов
- •Тема № 4. Глубокое охлаждение. Лекция № 1.Глубокое охлаждение и его циклы. Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка
- •Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины
- •Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода. Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения
- •Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием
- •Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах
- •Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере
- •Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)
- •Тема № 5. Ректификация. Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации. Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации
- •Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния
- •Групповое занятие № 1. Процесс ректификации Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации
- •Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси
- •Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси
- •Тема № 6. Процессы и аппараты воздухораздели-тельных установок. Лекция № 1. Теплообменники. Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов
- •Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники
- •Групповое занятие № 2. Конденсаторы-испарители Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.
- •Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара
- •Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении
- •Групповое занятие № 3. Регенераторы Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов
- •Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах
- •Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов
- •Практическое занятие № 4. Ректификационные колонны Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн
- •Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн.
- •Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха
- •Тема № 7. Контроль качества газов, применяемых в авиации Лекция № 1. Определение содержания веществ в газе. Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации
- •Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации.
- •Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях.
- •Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде
- •Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации. Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов
- •Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов
- •Расчетные
- •Визуально
- •Инструментальные
- •Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк
Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара
При соприкосновении с поверхностью твердого вещества или жидкости, температура которых ниже температуры насыщения, пар конденсируется. Можно различать три вида конденсации на твердой поверхности. На поверхностях, хорошо смачиваемых жидкостью, наблюдается пленочная конденсация, при которой конденсат растекается по поверхности сплошной пленкой. На несмачиваемой поверхности происходит капельная конденсация, при которой конденсат выпадает в виде отдельных капель. При смешанной конденсации поверхность теплообмена частично покрывается пленкой конденсата, а на части ее образуются капли. При капельной конденсации вследствие отсутствия термического сопротивления конденсата теплоотдача более интенсивна, чем при пленочной.
Продукты разделения воздуха (азот, кислород, аргон) принадлежат к числу веществ, хорошо смачивающих металлические поверхности труб конденсаторов и других аппаратов. Поэтому в аппаратах воздухоразделительных установок происходит пленочная конденсация, применительно к которой и рассматриваем процесс теплообмена. Можно считать доказанным, что основным термическим сопротивлением, определяющим интенсивность процесса, является термическое сопротивление жидкой пленки стекающего конденсата. Такое положение существенно упрощает рассмотрение вопроса и сводит его к исследованию поведения пленки конденсата.
Нуссельт еще в 1916 г. теоретически вывел зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной стенке для чисто ламинарного стекания пленки конденсата при постоянной температуре теплообменной поверхности и при постоянных значениях на всей поверхности физических параметров жидкости (теплопроводности, вязкости и плотности). Если определяющей является заданная удельная тепловая нагрузка, эту зависимость удобно представить в следующей критериальной форме:
(1)
После опубликования работы Нуссельта рядом авторов были проведены экспериментальные исследования теплоотдачи при конденсации паров, а также рассмотрено влияние на теплоотдачу волнового характера стекания пленки. В этих работах в большинстве случаев получались коэффициенты теплоотдачи больше подсчитанных по формуле 1 примерно на 20%. Для длинных труб при достаточно больших тепловых нагрузках получались даже качественные расхождения – коэффициенты теплоотдачи переставали зависеть от тепловых нагрузок вследствие турбулизации стекания пленки. Исследования процесса теплоотдачи при конденсации технического азота, кислорода и аргона, в зависимости от тепловой нагрузки и длины труб позволили установить три различных режима.
При малой интенсивности процесса (Re' ≤ 8·10-14 q/v2 ) визуально было обнаружено, что на поверхности теплообмена высаживаются мельчайшие кристаллы твердых примесей (Н2О, СО2 и др.), которые обычно в небольшом количестве содержатся в жидких чистых продуктах разделения воздуха. Налет кристаллов на поверхности труб вызывает торможение, а следовательно, и утолщение стекающей пленки конденсата, что приводит к ухудшению теплоотдачи от конденсирующихся паров к стенке. Для этого случая:
(2)
При тепловых нагрузках, для которых Re' ≥ 8·10-14 q/v2 кристаллы с теплообменной поверхности смываются стекающей жидкостью.
При отсутствии влияния на теплообмен налета кристаллов, высаживающихся на теплообменной поверхности, установленная экспериментально зависимость для теплоотдачи аналогична формуле Нуссельта (93) и отличается от последней лишь величиной коэффициента пропорциональности. В формулу (93) входит коэффициент, найденный теоретически и равный 0,925. По данным экспериментов, коэффициент пропорциональности С1 = 1,0÷1,12. При этом, чем выше число Re', тем больше С1.
Принимая С1 = 1,0 при ламинарном стекании пленки конденсата по чистой теплообменной поверхности, можно рекомендовать следующую расчетную формулу:
(3)
При больших тепловых нагрузках, когда число Re' больше некоторой критической величины, появляется значительный молярный перенос тепла, и теплоотдача практически не зависит от числа Рейнольдса.
В результате проведенных исследований определено, что
Re’кр = 6,22*10-5 Ga0,24 (4)
Исходя из уравнений (3) и (4) и наибольшей величины коэффициента пропорциональности С1 = 1,12 в условиях низких температур, для расчета а при конденсации с большими тепловыми нагрузками, можно рекомендовать следующее выражение:
Nu = 0,013 Ga0,413 (5)
Присутствие неконденсирующихся примесей даже в малых количествах резко снижает коэффициенты теплоотдачи. Это является результатом блокирования поверхности пленки стекающего конденсата неконденсирующимися газами. Скорость подвода рабочих паров к стенке, а следовательно, и скорость теплоотдачи начинают ограничиваться интенсивностью диффузии через образовавшийся газовый слой. Опыт эксплуатации кислородных установок показывает, что присутствие, например, неоно-гелиевой смеси в азоте резко снижает производительность конденсаторов азота. Поэтому в верхней части всех конденсаторов воздухоразделительных установок имеются продувочные штуцеры для отвода неконденсирующихся компонентов воздуха. Качественное представление о том, какое влияние на теплообмен оказывает присутствие неконденсирующихся примесей может дать график (рис. 4), показывающий изменение коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара в зависимости от количества примеси воздуха.
Рис. 4. Опытные значения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе в присутствии воздуха
Влияние перегрева паров на теплоотдачу экспериментально и теоретически исследовалось рядом авторов. Было установлено, что если температура охлаждающей поверхности ниже температуры насыщения при данном давлении, то, несмотря на наличие перегрева паров в ядре потока, на стенке происходит конденсация; ядро потока и пленка конденсата обмениваются теплом, вследствие чего ядро охлаждается.
Состояние поверхности стенки также влияет на теплоотдачу при пленочной конденсации. Однако общего метода количественной оценки этого влияния нет, поэтому оно учитывается очень неточно на основе отдельных опытных рекомендаций.