О теплопередаче при капельной конденсации пара Текст научной статьи по специальности «Физика»

Том 125

1964

О ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ПРИ КАПЕЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА

В. В. ИВАНОВ (Представлена проф. докт. техн. наук Г. И. Фуксом)

Теплопередача в конденсаторах, испарителях, бойлерах и в целом ряде других теплообменных аппаратов значительно увеличивается, если на поверхностях охлаждения происходит капельная конденсация. В этом случае большая часть поверхности стенки доступна для непосредственного соприкосновения с паром. Повышенные коэффициенты теплоотдачи от пара к „обнаженным" участкам стенки между каплями способствуют увеличению общего коэффициента теплопередачи от пара к охлаждающей воде.

Изучению теплопередачи при капельной конденсации посвящен ряд работ [1, 2, 3]. Эти работы носят экспериментальный характер и содержат качественный анализ опытных данных. Выполненные эксперименты позволили установить порядок величины коэффициента теплопередачи и некоторые закономерности его изменения в зависимости от скорости охлаждающей воды, тепловой нагрузки и т. д. Эти эксперименты проводились в небольшом диапазоне изменения температурного напора между паром и охлаждаемой стенкой и с малым числом гидрофобизаторов. Капельная конденсация происходила на медных или хромированных трубках, которые мало применяются в промышленных теплообменных аппаратах.

Ниже приводятся результаты исследования коэффициента теплопередачи при капельной конденсации, полученные на экспериментальной установке, подробное описание которой приведено в [4]. Капельная конденсация происходила на латунной (>.=105 вт м°К) трубке с толщиной стенки 0,001 м. Опыты проводились при атмосферном давлении, пар имел незначительный перегрев (5—20°К). Расход охлаждающей воды в опытах изменялся от 70 до 850 кг;час, что соответствовало изменению скорости охлаждающей воды: от 0,01 до 1,3 м сек.

В качестве гидрофобизаторов применялись керосин, машинное масло, олеиновая и стеариновая, растворенная в эфире, кислоты. Температурный напор между паром и поверхностью охлаждения в опытах менялся в широких пределах: от 1 до 20°К.

При проведении экспериментов величина коэффициента теплопередачи находилась по соотношению

вт

М2-°1{ J '

J^ __ Ок (¿Г! ¿к)

3600 F(tH-tB)

в котором бк—часовой расход конденсата; /^—поверхность конденсации, равная 0,0226 л2; (/„—/к)—средняя разница теплосодержаний пара и конденсата на входе и.выходе из конденсатора; (¿н—АО-разность температур между конденсирующимся паром и охлаждающей водой.

Одновременно, для контроля производилось вычисление коэффициента теплопередачи К по соотношению

К-

О в (4ых ^вх)

3600 Т7 (¿„-¿в)

вт

М'2'СК

где Ов—часовой расход охлаждающей воды, (^вых—^вх)—средняя разница температур охлаждающей воды на выходе и входе в конденсатор.

Как показали опыты, разница в значениях /С, определенных по этим способам, не превышала 8 %.

На рис. 1 в логарифмических координатах представлена опытная зависимость коэффициента теплопередачи К от скорости охлаж-

К 5500

5000

ч500 ШС 3500 3000

2500 2000

1000

1 № О й

О О о о 9*°

О © 9 V * т © Г ? 9 О *

9 0 Т 9 * t 1 г 1 1

Vе""0 1 ^ г 1 1 ' 1 1 — — *

01

0.2

03 СЬ 05 0,6 08 10 15

20 0

Рис. 1. .Зависимость коэффициента теплопередачи К [вт/м°К\ от скорости охлаждений воды [м/сек].

О— керсин, 0 — олеиновая кислота, —▼ машинное масло СУ, V — стеариновая кислота, растворенная в эфире.

дающей воды {)[м;сек], показывающая характер увеличения К с ростом Сопоставление приведенных данных показывает, что тип побудителя, вызывающий устойчивую капельную конденсацию, практически не влияет на теплопередачу. Поэтому в последующей обработке результатов опытов не делается различия между данными, полученными при керосине, машинном масле, олеиновой и стеариновой кислотах.

На рис. 2 приведены опытные данные, показывающие зависимость коэффициента теплопередачи К от тепловой нагрузки поверхности охлаждения.

Была сделана попытка установить зависимость коэффициента теплопередачи от температурного напора между паром и охлаж-* даемой стенкой, величиной, обычно задаваемой при расчете те-

К

5$00

500 О

4500

4000

3500

1500

? 1 ©

Г ✓

г?

0 % > 1

о 9 А / о V

,с О

! 0 0

1 о 4

; ; _ о * ? о

: 1 о л о % 4

1 у < *

/ в*

V г

» V

—I--- •

9 7

т *

• »

— г 9 1

о

/ г

I9

9

1

!

I

Л00

50

300

350

400

«50

¿00

/о

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи К [вт/м2 °К] от тепловой нагрузки поверхности охлаждения [вт/м2].

плообмена (рис; 3). Несмотря на сильный разброс опытных точек, можно подметить, что в условиях устойчивой капельной конденсации величина К (в противоположность коэффициенту теплоотдачи) возрастает с ростом {tíi—t^). Этот эффект находится в согласии с уравнениями, полученными в [4]. Действительно, коэффициент теплопередачи К можно определить как

где а—коэффициент теплоотдачи со стороны пара; К0~коэффициент теплопередачи через_стенку к охлаждающей воде, величину коэффициента теплоотдачи а можно подсчитать по уравнению [4]

C(p) V 2 (tn tc:)

+ 1,22 Kb,

в котором С(р)—константа (м:сек), зависящая от давления; у —удельный вес конденсата, а г—скрытая теплота парообразования.

Объединяя две последние формулы, получаем уравнение для подсчета К

{ Г 0,5 С(р) г + U22KAt*~tcx) ° L 0,5 С (р) у • г 4- 2,22 Кt) (tH - tCT)

При постоянном давлении пара и неизменной температуре tfíX рост температурного напора {tH— tcг) определяется - в основном увеличением скорости охлаждающей воды W0. Вместе со скоростью W0 возрастает и коэффициент теплопередачи через стенку к охлаждаю-

К 5500 SOCO

^500

4000

зш

300С

2S0 О

2000

1000

0,5

t r • T* 9 99 a^

о о • л • 9? Of 0 f IV** » 9 О •

о -7 О ф t T 7 í >

• 9 Í / » » V

I***0* о fr f

Í0

5 € ? в 9 Ю

is го

■ Рис. 3. Связь коэффициента теплопередачи К [вт/м2 °К] с температур,ным напором между паром и охлаждаемой стенкой ( tu—¿с-г )°К. О — керосин, £ — олеиловая кислота, ^ — машинное .масло СУ, V — стеариновая кислота, растворенная в эфире.

щей воде К{). Как показывает обработка опытных данных, с увеличением W0 и, следовательно (tH— tcr), величина К0 увеличивается сильнее, чем уменьшается выражение, стоящее в квадратных скобках. Это в конечном итоге приводит к росту К.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для непосредственной оценки коэффициента теплопередачи К, если известны W0, qk или (tH— fcl).

ЛИТЕРАТУРА

К Hampson Н. Jnst. Mech. Eng., 7, 1952.

2. J e f f г e у J., M о у n i h a n J. Mech. Eng., 55, 1933.

3. F i t z p a t r i с k J., Baum S. W. Mc Adams., Trans. Am. Jnst. Chem. Engrs., 35, 1939.

4. И в a h о в В. В. Исследование теплообмена при капельной конденсации пара. Известия ТПИ, т. 110, 1962.