Меню

Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося водяного пара в горизонтальной трубе

Расчет коэффициентов теплоотдачи

Интенсивность теплоотдачи зависит от динамического вида течения, определяющего структуру пограничного слоя у поверхности теплообмена, который в свою очередь зависит от скорости потока. Увеличение скорости потока ведет к уменьшению пограничного слоя, повышает турбулентность и приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи.

Теплоотдача так же зависит от характеристик теплоносителя. Высокая теплопроводность уменьшает термическое сопротивление пограничного слоя и увеличивает теплоотдачу.

Снижение вязкости жидкости уменьшает пограничный слой, что так же благоприятно влияет на теплообмен между поверхностью и потоком теплоносителя.

Уменьшение пограничного слоя происходит так же в случае повышения кинематической вязкости или увеличения плотности рабочей среды, что так же повышает теплоотдачу.

Так же интенсивность теплоотдачи зависит от теплоемкости жидкости. При повышении теплоемкости повышается и теплоотдача, поскольку жидкость с большей теплоемкостью способна переносить большее количество теплоты.

Дополнительными факторами, влияющими на теплоотдачу, являются форма поверхности теплоотдачи, химические реакции и фазовые переходы в теплоносителе.

Онлайн расчеты, выполняемые в данном разделе, включают в себя определение коэффициентов теплоотдачи для наиболее распространенных случаев: плоской поверхности, внутренней и наружной стенки трубы, а так же расчет коэффициента теплоотдачи наружной поверхности группы параллельных труб. Для расчета необходимо задать определяющие размеры поверхностей, их температуру, температуру теплоносителя, скорость потока а так же такие характеристики рабочей среды как динамическая вязкость, плотность, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость.

Расчет коэффициента теплоотдачи плоской стенки

Вычислить коэффициент теплоотдачи плоской поверхности можно с помощью уравнения подобия:

Nul = 0,66×Rel 0,5 ×Pr 0,33 ; при ламинарном пограничном слое

Nul = 0,037×Rel 0,8 ×Pr 0,43 ; при турбулентном пограничном слое

Rel — число Рейнольдса, Pr — число Прандтля.

Исходные данные:

L — размер поверхности в направлении потока, миллиметрах;

w — скорость потока, метрах в секунду;

μ — динамическая вязкость теплоносителя, в паскаль×секунда;

ρ — плотность теплоносителя, в килограммах / метр 3 ;

λ — коэффициент теплопроводности теплоносителя, в ваттах / метр×°C×сек;

Cp — удельная теплоемкость теплоносителя, в джоулях / килограмм×°C.

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ ПЛОСКОЙ СТЕНКИ

Динамическая вязкость, μ, Па*с

Плотность теплоносителя, ρ, кг/м 3

Теплопроводность, λ, Вт/(м* 0 C×сек)

Удельная теплоемкость, Сp, Дж/(кг* 0 C)

Источник

Коэффициент теплоотдачи а2 со стороны конденсирующегося водяного пара

Для случая конденсации водяного пара внутри горизонтальных труб коэффициент теплоотдачи определяется по уравнению :

где A = f(tср) – коэффициент, зависящий от средней температуры конденсата и определяемый по графику (рис. 1.3);

q – удельная тепловая нагрузка испарителя, Вт/м 2 ;

dп – внутренний диаметр трубы, м.

Испарители с паровым пространством изготовляются только из труб длиной 6,0 м и диаметром 25×2 мм. Тогда L = 6,0 м и dп = 0,021 м. Средняя температура конденсата равна:

где t3 = 158,1 °С – температура насыщенного водяного пара при давлении 6 кгс/см 2 ;

tcт – температура стенки со стороны конденсирующегося пара, °С.

Рис. 2.3 График зависимости величины А от tcp.

Температура стенки tст как правило, мало отличается от температуры конденсации насыщенного водяного пара, поэтому без большой погрешности можно принимать tср » t3 » tст.

По графику (рис. 1.3) при tcp=158 °C А=6,5. Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующего пара будет равен:

Читайте также:  Просверлил полипропиленовую трубу что делать

Таким образом, коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара, как функция удельной тепловой нагрузки испарителя, определяется по формуле

Коэффициент теплопередачи

С учетом тепловых сопротивлений стенки и загрязнений ее обеих поверхностей коэффициент теплопередачи определим из уравнения

где sст = 0,002 м – толщина стенки трубы; Вт

lст = 46,5 – коэффициент теплопроводности материала стенки трубы (углеродистая сталь);

– тепловое сопротивление загрязнения наружной поверхности труб [2, с. 531];

– тепловое сопротивление загрязнения внутренней поверхности труб [2, с. 531];

Так как коэффициенты теплоотдачи a1 и a2 являются функциями удельной тепловой нагрузки испарителя q, величина которой неизвестна, то вычисление коэффициента теплопередачи К ведется методом последовательного приближения. Задаются различными числовыми значениями удельной тепловой нагрузки q и для каждого из них определяются коэффициенты теплоотдачи a1 и a2 и температурный напор Dt, зная, что в рассчитываемом испарителе температурный напор Dt = 48,1°C,

Результаты расчетов приведены в таблице 1.1.

Из расчётов находим соответствующую удельную тепловую нагрузку испарителя q = 76570 Вт/м .

Расчеты коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и температурного напора

Величины Результаты расчетов
q, Вт/м 2 (принимается)
6365,22
12028,7
1591,75
48,10

Коэффициент теплопередачи в испарителе будет равен:

Расчетная поверхность теплообмена равна:

В результате расчета поверхности теплообмена по ГОСТ 14248–79 [3, с. 27] принимаем кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством, имеющий следующую техническую характеристику:

Число трубок в трубном пучке 132 шт.

Поверхность теплообмена 62 м 2

В выбранном испарителе запас поверхности

2.2 Гидравлический расчёт испарителя.

Источник

Теплоотдача при конденсации паров

Конденсация – процесс перехода пара (газа) в жидкое или твердое состояние (десублимация). При конденсации пара выделяется теплота фазового перехода (скрытая теплота парообразования), поэтому процесс конденсации неразрывно связан с теплообменом.

Условия протекания стационарного процесса конденсации:

1) температура стенки должна быть ниже температуры насыщения при данном давлении ();

2) отвод теплоты от поверхности, на которой образуется конденсат.

Различают три вида конденсации: пленочную, капельную и смешанную. Пленочная конденсация возможна при условии смачивания конденсирующейся жидкостью данной поверхности. При этом конденсат стекает с поверхности теплообмена в виде пленки. На плохо смачивающихся (загрязненных) поверхностях наблюдается капельная конденсация, при которой конденсат образуется в виде капель разных размеров.

При смешанной конденсации на разных участках поверхности теплообмена одновременно происходит и капельная и пленочная конденсация. Интенсивность теплоотдачи при пленочной конденсации значительно ниже, чем при капельной из-за значительного термического сопротивления пленки конденсата. В теплообменных устройствах пленочная конденсация наблюдается значительно чаще, чем капельная, поэтому в нашем кратком курсе рассмотрим только расчет теплоотдачи при пленочной конденсации.

Интенсивность теплоотдачи при пленочной конденсации зависит от режима течения пленки конденсата, который определяется по значению критерия Рейнольдса – определяющему критерию гидродинамического подобия

, (5.6)

где – средняя скорость течения пленки в данном сечении, м/с; d – толщина пленки, м; – кинематический коэффициент вязкости пленки, м 2 /с, определяемый для жидкости в состоянии насыщения.

При течении пленки конденсата различают три режима: ламинарный, волновой и турбулентный. Волновой режим течения характеризуется наличием волн на поверхности ламинарной конденсатной пленки. Экспериментально установлено критическое число Рéйнольдса при течении пленки конденсата Reкр » 400. При Re 3 ; – толщина пленки, м; – площадь поперечного сечения конденсатной пленки.

Читайте также:  Сколько нужно трубы для багги

Подставляя значение расхода в уравнение теплового баланса, получим

,

. (5.9)

Заменив произведение в формуле критерия Рéйнольдса (5.6) выражением (5.9), окончательно находим:

, (5.10)

где – динамический коэффициент вязкости конденсата, Па·с.

Анализируя формулу (5.10) можем сделать вывод о том, что при пленочной конденсации пара критерий Рейнольдса является и определяющим и определяемым критерием.

Замечание. Рассуждая аналогично, несложно получить определяемый критерий Рейнольдса при конденсации на горизонтальной трубе:

, (5.10 ’ )

где Dтр – наружный диаметр трубы.

Пленочная конденсация на вертикальной поверхности

Схема движения пленки и теплоотдачи при пленочной конденсации пара на вертикальной поверхности показана на рис. 5.2. Без вывода запишем формулы для расчета основных гидродинамических параметров пленки и коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме течения.

Средняя в данном сечении скорость движения пленки:

, (5.11)

где м/с 2 – ускорение свободного падения; x – координата, отсчитываемая от верхней точки поверхности, м; – толщина пленки конденсата в данном сечении

. (5.12)

Рис. 5.2. К расчету пленочной конденсации пара на вертикальной поверхности

Локальный коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле

. (5.13)

где – коэффициент теплопроводности пленки конденсата, Вт/(м·К).

Анализ формул (5.12) и (5.13) показывает, что толщина конденсатной пленки увеличивается вниз по течению по закону , а коэффициент теплоотдачи – уменьшается по закону .

Найдем средний по всей поверхности коэффициент теплоотдачи

Или вычислив значение числового коэффициента , окончательно получим

. (5.14)

Формула (5.14) предложена немецким ученым Нуссельтом в 1916 году и носит его имя.

Внимание! Физические свойства жидкой пленки находят в справочнике по температуре насыщения при данном давлении.

Из последней формулы видно, что коэффициент теплоотдачи уменьшается с увеличением температурного перепада по закону . Однако тепловой поток растет с увеличением разности температур , хотя и более медленно, чем при конвективной теплоотдаче в однофазных средах. Действительно

.

Для учета зависимости физических свойств конденсата от температуры и волнового течения пленки в расчет вводят соответствующие поправки и

, (5.15)

где – коэффициент теплоотдачи, рассчитываемый по формуле Нуссельта (5.14).

Поправку, учитывающую зависимость физических свойств пленки от температуры рассчитывают по формуле

, (5.16)

в которой и коэффициенты теплопроводности и динамической вязкости, найденные из справочника по температуре насыщения (Tн), а и – те же коэффициенты, найденные по температуре стенки (Tw).

Поправка на волновое число имеет вид:

. (5.17)

Пленочная конденсация на наклонной поверхности

Средний коэффициент теплоотдачи на наклонной поверхности (рис. 5.3) рассчитывается по формуле:

, (5.18)

где – коэффициент теплоотдачи, рассчитываемый по формуле Нуссельта для вертикальной поверхности; – угол между направлением силы тяжести и осью Ox, направленной вдоль поверхности теплообмена.

Рис. 5.3. К расчету пленочной конденсации пара на наклонной поверхности

Пленочная конденсация на горизонтальной трубе

Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации на горизонтальной трубе (рис. 5.4) при ламинарном течении пленки конденсата рассчитывают по формуле Нуссельта, которая в этом случае имеет вид

, (5.19)

где dтр – наружный диаметр трубы, м.

Формула (5.19) справедлива для ламинарного режима течения пленки, который имеет место, если выполняется условие:

Читайте также:  Труборезы для железных труб

, (5.20)

где – сила поверхностного натяжения пленки, Н/м, принимаемая по справочным данным при температуре насыщения.

Рис. 5.4. К расчету пленочной конденсации пара на горизонтальной трубе

Критериальная форма записи выражений для расчета среднего коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации

А. Вертикальная поверхность

При ламинарном течении пленки конденсата, который имеет место при Z 3/4 , (5.21)

где ; H – высота вертикальной стенки или вертикальной трубы; Z – приведенная высота стенки

,

в которой – критерий Галилея.

Для расчета процесса конденсации на стенках большой высоты в технической литературе рекомендуют следующую формулу:

, (5.22)

где Prн и Prw критерии Прандтля, найденные по справочным данным для конденсата по температуре насыщения и температуре стенки соответственно.

При Z = 2300 из формулы (5.22) получаем Re = 89 4/3 » 400 – критическое число Рейнольдса. При Z 2300 – для волнового и турбулентного режимов.

Критериальные уравнения для расчета безразмерного коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации пара на горизонтальной трубе для ламинарного режима течения () пленки имеют вид

, (5.23)

где – критерий Рейнольдса; Rтр – наружный радиус трубы; Z – приведенный расчетный размер трубы

. (5.24)

Факторы, влияющие на процесс пленочной конденсации неподвижного пара

А. Влияние скорости движения пара

Все вышеуказанные формулы расчета теплообмена при конденсации пара получены при допущении малой скорости движения пара в теплообменном устройстве. В этом случае пар можно считать неподвижным. Если скорость пара достаточно велика и поток пара оказывает влияние на течение конденсатной пленки, то это явление учитывают при помощи поправочного коэффициента на движение пара

,

где – поправочный коэффициент, расчет которого приводится в справочной литературе, например [], для конкретного типа теплообменного устройства.

Б. Влияние влажности и перегрева пара

Все вышеуказанные формулы были получены для расчета теплоотдачи при пленочной конденсации сухого насыщенного водяного пара (т.4 на рис.5.1). В теплообменник пар может поступать, как в перегретом (т.5 на рис.5.1), так и во влажном насыщенном состоянии (т.3 на рис.5.1). Отличие состояния пара от сухого насыщенного учитывают при расчете теплового потока фазового перехода, входящего в уравнение теплового баланса.

Для влажного насыщенного водяного пара

,

где Q – тепловой поток от пара к стенке при конденсации, Вт; G – расход конденсата, кг/с; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; x – степень сухости пара.

,

где – удельная теплота перегрева, Дж/кг; cп – теплоемкость перегретого пара, Дж/(кг·K); и – удельные энтальпии перегретого пара (точка 5) и сухого насыщенного водяного пара (точка 4).

В. Влияние неконденсирующихся газов в паре

Если в водяном паре присутствуют неконденсирующиеся газы (например, воздух), то теплоотдача резко снижается. В этом случае воздух на поверхности пленки конденсата создает воздушную прослойку, препятствующую конденсации пара (см. рис. 5.5). Экспериментально получено, что присутствие в паре 1% воздуха уменьшает теплоотдачу приблизительно в два раза. Поэтому воздух необходимо удалять из теплообменных аппаратов.

Рис. 5.5. Схема конденсации смеси пар-воздух:

– поток смеси; – поток воздуха; – поток пара;

– давление смеси; – давление воздуха; – давление пара

Источник

Adblock
detector