Глава XXVIII

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА ~

§ 28-1. Теплообмен при кипении жидкости

До сих пор изучались процессы, в которых рабочее тело не меняло своего агрегатного состояния. В данной же главе будут рассматри­ваться процессы кипения жидкости, при котором происходит переход жидкой фазы в парообразную, и конденсации пара, при которой проис­ходит обратный процесс перехода парообразной фазы в жидкую.

Рассмотрим процесс теплоотдачи при. кипении жидкости.

Кипением называется парообразование, характеризующееся воз­никновением" новых свободных поверхностей раздела жидкой и паро­вой фаз внутри жидкости, нагретой выше температуры насыщения.

Характерной особенностью процесса кипения является образова­ние Пузырьков пара. Различают кипение жидкости на твердой поверх­ности теплообмена и кипение в объеме жидкости.

Процесс кипения на Твердой поверхности может возникнуть тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при дан­ном давлении, а.температура поверхности теплообмена выше темпе­ратуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объемное кипение может происходить при перегреве жидкости от­носительно температуры насыщения при данном давлении. Объемное кипение можно получить при быстром уменьшении давления или при наличии в жидкости внутренних источников теплоты.

В современной теплоэнергетике обычно встречаются процессы ки- пения на твердых поверхностях, поэтому они и будут рассматриваться в дальнейшем. - - ■

Теплота от .поверхности нагрейа, имеющей температуру <_ст, пре­вышающую 4> передается пограничному слою жидкости, а от этого слоя — массе жидкости и образующемуся пару. Пограничный слой имеет, с одной стороны, температуру стенки, а с другой сторонЫдем-пературу кипящей жидкости, т. е. в пограничном слое жидкость перег­рета относительно температуры жидкости в объеме на At = г_ст — — г_ж. С увеличением плотности теплового потока <7 величина Дг возрас­тает. При <7 = 22220 впг/м² и температуре водяного насыщенного пара = 100° С, температура всей массы жидкости равна 100,4° С, а тем­пература пограничного слоя — 109,1° С.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидко­сти и только в отдельных точках этой поверхности,, называемых цент­рами парообразования. Центрами образования пузырьков пара яв­ляются неровности самой стенки, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше.

перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрыва­ются от поверхности и всплывают наверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара- в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если кипящая жид­кость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара имеет тонкую ножку и легко отрывается (рис. 28-1, а). Если .кипящая жидкость не смачивает поверхность,-то пузырек пара им.еет толстую ножку, при этом верхняя часть-пузырька отрывается, а ножка остается на по­верхности (рис. 28-1, б).

Рост пузырьков до от­рыва от обогреваемой по­верхности и движение их после отрыва вызывают ин­тенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пу­зырьковым кипением.

Если жидкость еще недогрета (при атмосферном давлении. Д/^ ^ 5° С), то образующиеся на самой поверхности теплообмена пузырь­ки пара после отрыва сразу конденсируются, а процесс кипения огра-, ничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости у поверх­ности. В этом случае пузырьки пара слабо перемешивают пристеночный слой и теплоотдача в основном определяется свободной конвек­цией. Этот режим называют поверхностным, или конвективным, ки­пением.

. При. пузырьковом кипении площадь соприкосновения ножки пу­зырька пара с поверхностью нагрева весьма мала, поэтому почти вся теплота от поверхности нагрева, передается пограничному слою жид­кости, а от последнего путем конвекции передается в объем жидкости.'

С возрастанием температурного напора или с увеличением плотно­сти теплового потока число центров парообразования непрерывно уве­личивается и, наконец, их становится так много, что отдельные пузырь­ки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, и,образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пле­ночным.

Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара пред­ставляет большое термическое сопротивление [при р = 1 бар для воды А._ж« 0,68, а для водяного пара Д_п « 0,02 вт/{м •■град)]. Теп­лоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом резко сни­жается "и если количество передаваемой теплоты а -остается неизмен­ным, то, как следует из уравнения <7 = а (<_ст — /_ж), при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение тём­

пературы стенки /_ст. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. Форма сосуда существенного влияния на теплоотдачу не оказывает.

На рис. 28-2 показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и зависимость плотности теплового потока от Л/.

При малых температурных напорах — до 5° — значение коэф­фициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции

однофазной жидкости (участок А В). При увеличении Д/ коэффициент теп­лоотдачи быстро возрастает и проис­ходит интенсивное пузырьковое ки­пение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипе­ние переходит в пленочное и при дальнейшем повышении Д/ коэффи­циент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интен-^ сивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и обра­зуют сплошную паровую пленку, ко­торая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное. Величины Д/, а и ц, соответствующие моменту перехода пузырько­вого режима кипения в пленочный, называются критическими. Уста­новление существования Д/_кр имеет большое практическое значение для выбора оптимального режима работы кипятильных и выпарных аппаратов.

Для определения коэффициента теплоотдачи и критической вели­чины теплового потока при пузырьковом кипении жидкости в усло­виях естественной конвекции и в большом объеме Г. Н. Кружилин, обработав опытные данные на основании теории подобия, предложил обобщенные формулы в следующем виде:

„0.75^0.7

5^0.12^0.37 >.

4_кр = 5466

V Р'-Р" ) [а ) (г⁰-⁴

%0,* (р>_р'^0,48 _гу,36 -ро, 32 _ст0,21

р'О,31 цО,14 _с0, 8

(28-1) (28-2)

где р' и р° — плотности жидкости и газа,-кг/л(³; г —- таплота- паро­образования, кдж/кг; - а— коэффициент поверхностного натяжения, кг/м; к — коэффициент теплопроводности жидкости, вт1(м • град); р. — динамический коэффициент вязкости жидкости; с — теплоемкость жидкости, кдж!(кг ■ град); Т„ — абсолютная температура насыщен­ного пара при данном давлении, град.

Академик М. А. Михеев, используя данные Г. Н. Кружилина, рекомендует для р — 0,2—80 бар весьма простые расчетные формулы при пузырьковом кипении воды:

а = 3,15 /Л¹⁵ <7⁰/⁷; а = 46 Д^²-³³ р⁰>\ 1 (28-3)

где Д/=/_ст —/_п.— температурный напор, град; р — абсолютное давление пара, бар; а — плотность теплового потока, вт/м².

§ 28-2. Теплообмен при конденсации пара

Процесс конденсации заключается в том, что пар при определенных условиях может переходить как в жидкое, так и твердое состояние. Процесс конденсации очень часто встречается на практике — в кон­денсаторах паровых турбин, в опреснителях при получении питьевой воды из морей и океанов, в теплообменниках холодильных установок и др.

Конденсация пара всегда связана с отводом теплоты через поверх­ности конденсации и с одновременным отводом образующегося веще­ства — конденсата. Конденсация может происходить только при усло­вии, что температура и давление пара ниже температуры и давления критической точки. Она протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. Конденсация на твердых поверхностях применяется в технике наиболее часто.

Если насыщенный или перегретый пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения при данном дав­лении, то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в виде пленки или капель бседает на поверхности и стекает вниз.

В зависимости от состояния поверхности различают два вида кон­денсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсата не смачивается жидкостью (покрыта каким-либо жиром, керосином, нефтяным продуктом и др.) и конденсат осаждается в виде отдельных капелек, то происходит капельная конденсация. На смачиваемой поверхности конденсатора конденсирующийся насыщенный пар об­разует сплошную пленку определенной толщины; такая конденсация называется плёночной.

Для водяного пара капельная конденсация явление случайное, неустойчивое и кратковременное. Она отличается интенсивным тепло­обменом, и коэффициент теплоотдачи в 15—20 раз выше пленочной. Объясняется это явление тем, что конденсирующийся пар находится в непосредственном соприкосновении с охлаждаемой поверхностью.

В настоящее время ведутся большие работы по созданию искусст­венной капельной конденсации с помощью специальных веществ, на­зываемых лиофобизаторами (при конденсации водяного пара — гид-рофобизаторами). Эти вещества вводятся в водяной пар или наносятся на поверхность теплообменника. Для поддержания устойчивой капель­ной конденсации водяного пара требуется непрерывное добавление гидрофобизаторов, так как они со временем смываются конденсатом или растворяются в нем. Такими веществами являются многие органи­ческие соединения, но они недолговечны.

Обычно в теплообменных аппаратах, работающих на "чистом водя­ном паре, наблюдается пленочная конденсация. В верхней части вер­тикальной стенки или трубы -пленка стекает с малыми скоростями и движение пленки будет ламинарным. По мере увеличения скорости конденсата движение пленки переходит в турбулентное.

При пленочной конденсации теплота пара передается поверхности пленки конденсата, а пленка передает теплоту стенке. Пленка кон­денсата представляет собой значительное термическое сопротивление и чем она толще, тем меньше теплоотдача.

Рассмотрим теплоотдачу при пленочной конденсации в случае ла­минарного движения пленки конденсата.

В данном процессе перенос теплоты через пленку осуществляется только теплопроводностью. Пусть поверхность пленки конденсата, обращенная к пару, имеет температуру /_н (температуру насыщения), а поверхность пленки конденсата, соприкасающаяся со стенкой, имеет температуру /_ст. Тогда при коэффициенте теплопроводности конденсата % и толщине пленки б плотность теплового потока равна

Кроме того, из закона Ньютона — Рихмана известно, что при коэф­фициенте теплоотдачи а плотность теплового потока равна

<7=а(/_н — /_ст),

откуда

«.= -£-• (²⁸⁴)

Из уравнения (28-4) следует, что коэффициент теплоотдачи зависит от толщины слоя конденсата, стекающего по стенке вниз, и чем толще будет слой, тем меньше теплоотдача.

В основу теории конденсации пара положены исследования Нус-сельта, который - вычислил толщину пленки конденсата, а затем, интегрируя количество теплоты, проходящей через вертикальную стенку высотой Н, нашел уравнение для определения коэффициента теплоотдачи. -

.Однако Нуссельт при создании своей теории конденсации принял ряд упрощающих предпосылок, которые заставляют считать получен­ное уравнение только приближенным. *

В дополнение- к исследованиям Нуссельта академик П. Л. Ка­пица показал, что течение пленки жидкости по вертикальной поверх­ности может иметь волновой характер.

В результате теоретических исследований П. Л. Капица доказал, что коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной поверхности на 21%выше по сравнению со случаем чисто ламинарного течения, которому отвечает уравнение, полученное Нуссельтом. По­этому при практических расчетах рекомендуются следующие формулы для определения среднего .значения коэффициента теплоотдачи: ,

для вертикальной стенки '

«_верт= 1.141/. ^т"^гК* „ ; (28-5) ^веРТ V Си-Ля) ч . - '

для горизонтальной стенки

а_гЬр = 0,72 \/^{Г №жгЯА}. , (28-6)

где # — ускорение силы тяжести; К_т — коэффициент теплопровод­ности жидкости; г — теплота парообразования; р_ж — плотность жид­кости-; V» — кинематический коэффициент вязкости жидкости; \'Щ_Х высота вертикальной стенки; г_н — температура насыщенного пара; ?_ст — температура поверхности стенки; й —наружный диаметр трубы.

Физические параметры конденсата Я,_ж, у_ж и р_ж берутся прн средней температуре пленки конденсата, равной 4р ®>5 (*„ + '_Ст). Теплота парообразования г берется при температуре насыщения *_н.

* В общем виде уравнение теплообмена; при конденсации в числах подобия при ламинарном движений имеет следующий вид:

= С УСа • К .Рг.(Рг_ж/Рг_ст), (28-7)

где К — число фазового превращения, равное

К = г/(Ср_%ж Д/).

Формула справедлива для паров различных веществ. Масса конденсата, образующаяся на 1 м* поверхности, определяет­ся по формуле

^{т = "Г==1"^~и' ' " (2М)}

Размерность массы конденсата — кгЦрек • м²).

Так как высота трубы всегда больше диаметра, то коэффициент теплоотдачи при горизонтальном расположении трубы выше, чем при вертикальном.

§ 28-3. Влияние различных факторов на теплообмен при конденсации

Формулы (28-5) и (28-6) относятся к неподвижному или медленно движущемуся пару (я>< 10 м1сек).. Если движение пара совпадает по направлению с движением пленки конденсата, то толщина последней уменьшается, а коэффициент теплоотдачи увеличивается. При встреч­ном движении пара и пленки конденсата толщина последней увели­чивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшается. Однако'при срав­нительно большой скорости пара происходит срыв конденсатной плен­ки, что приводит к значительному росту коэффициента, теплоотдачи.

При конденсации перегретого пара температура его у стенки по­степенно снижается и фактически конденсируется насыщенный пар.

Следовательно, конденсируясь, перегретый пар-передает Конденсату теплоту парообразования и теплоту' перегрева г' = г + с_рт (/ — где с_рт— средняя теплоемкость перегретого пара при заданном дав­лении; /— температура перегретого пара. Поэтому коэффициент теп­лоотдачи для конденсирующегося перегретого пара можно вычислить по тем же формулам, что и для насыщенного пара, но вместо теплоты парообразования л необходимо подставлять величину г'. За разность температур при этом по-прежнему берется Д/ = 1„—/_ст. Объясг няется это тем, что если г_ст < /_н, то пар Конденсируется в плёнке конденсата и на границе раздела фаз всегда устанавливается темпе­ратура /„•

Состояние поверхности конденсатора также играет большую'роль. На трубах, покрытых ржавчиной, с большой шероховатостью тол­щина пленки конденсата значительно увеличивается, что вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи более чем на 30% по сравне­нию с гладкой и чистой поверхностью.

Примеси различных газов в паре заметно уменьшают Теплоотдачу при конденсации. Снижение теплоотдачи происходит потому, что пар конденсируется, а газ или воздух остается на холодной стенке в виде слоя, через который молекулы пара проникают из ядра потока лишь путем диффузии, тем самым увеличивая в значительной степени термическое сопротивление.пленки. Так, наличие в паре 1% воздуха уменьшает коэффициент теплоотдачи при конденсации на 60% (для движущегося пара влияние воздуха меньше).

Большое значение для получения высоких коэффициентов тепло­отдачи при конденсации 'пара имеет правильное расположение труб конденсатора. Вертикально расположенные трубы конденсатора обыч­но снабжаются через каждые 10 см колпачками,, которые отводят кон­денсат от поверхности трубы, тем самым увеличивая теплоотдачу в 2—3 раза. При горизонтальном расположении пучка труб большой эффект получается в том случае, когда струйка конденсата с верхней трубы стекает на небольшую² часть поверхности нижней трубы, т. е. попадает у горизонтального диаметра³.