Инженерные расчёты теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики

Реферат

УДК 621.436

Курсовая работа содержит 122 страниц, 93 графиков, 38 таблицы.

Теплопроводность, мощность теплового потока, плотность теплового потока, теплообмен, коэффициент теплоотдачи, конвекция, теплопередача, турбулентный и ламинарный потоки, плёночная конденсация, пузырьковое кипение.

Объектами исследования являются процессы нестационарной теплопроводности тел, передача теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, пузырьковое кипение жидкости в трубе, плёночная конденсация пара в трубе.

Цель работы – углубление и закрепление знаний по разделу «Тепломассообмен» и приобретение практических навыков инженерных расчётов теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2002.


Содержание

Введение...........................................……………………………..………………4

1 Нестационарная теплопроводность тел

1.1Расчёт…….………..............................................………………………………5

1.2Выводы…..............................................……………………………..………..14

2 Передача теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки

2.1Расчёт…….........................................……………………………..…………..15

2.2Выводы……………...………………………………………………………...26

3 Конвективный теплообмен при плёночной конденсации пара

3.1Расчёт…….………..............................................……………………………..49

3.2Выводы…..............................................……………………………..………..80 Заключение……………………………………………………………………...121

Библиографическийсписок…………………………………………………….122

Введение

Совершенно очевидным является положение, что использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятельности. Теплота — это великий дар природы и естественно желание научиться разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты.

Тепломассообмен – это наука, изучающая процессы распространения тпла и передачи массы вещества в пространство, имеющее непосредственную физическую связь с теплообменом. Явление тепломассообмена распространено в природе и в технике. Например, расчёт и конструирование теплообменных установок в теплоэнергетике, расчёт тепловых двигателей, атомных реакторов, холодильных устройств. Тепломассообмен вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники, являющиеся основой знаний инженеров теплоэнергетиков. При соприкосновении двух тел с разными температурами происходит обмен энергиями, в результате интенсивность движения частиц с меньшей температурой увеличивается, а с большей уменьшается. Значит для возникновения процесса теплообмена необходимо наличие разности температур. Если нет разности, нет и теплообмена.

В этой работе будут рассмотрены процессы нестационарной теплопроводности тел, передачи теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, пузырькового кипения жидкости в трубе, плёночной конденсации пара в трубе. Все эти процессы имеют практическое применение в технике, в котельных установках, поэтому знание и умение их рассчитывать необходимо каждому теплоэнергетику.

1. Нестационарная теплопроводность тел

Исследовать нагревание железобетонной плиты размерами в процессе ее термической обработки. Определить распределение температур и расход теплоты на единицу ее объема по истечении времени в зависимости от интенсивности теплообмена между греющей средой и поверхностью плиты. Железобетонная плита выполнена из материала с теплофизическими свойствами , с, .

В начале термической обработки температура во всех точках плиты была одинакова и равна tН. В процессе нагрева плиты температура греющей среды (водяного пара) поддерживалась постоянной и равна t0. Обогрев плиты симметричный. Время нагрева (полное) определить исходя из условия, что температура на поверхности плиты равна tс. Скорость движения пара относительно плиты w.

Таблица 1.1 – Исходные данные

Номер варианта

Размер плиты

S-b-l, м

Начальная температура плиты

tН, оС

Температура поверхности плиты tC,0С

Температура насыщенного пара t0, оС

Теплофизические свойства плиты

Скорость потока воздуха w, м/с

Плотность ,

кг/м3

Коэф. теплопроводности ,

Вт/мК

Теплоёмкость С,

Дж/кг с

8

0.4*1.4*6.0

20

95

120

150

2200

1.41

834

5

10

15

20

25

1.1 Определение критерия Био

Определим критерий Bi. Для этого найдем критерий Рейнольдса Re, критерий Нуссельта Nu и коэффициент теплоотдачи .

Критерий Рейнольдса Re находим по формуле:

, (1.1)

где w – скорость потока воздуха, м/с;

l – высота плоской стенки, м;

м2/с – коэффициент кинематической вязкости при t=120°C

м2/с – коэффициент кинематической вязкости при t=150°C.

Средний критерий Нуссельта находим по формуле:

, (1.2)

где – критерий Рейнольдса;

=1,09 - критерий Прандтля при t=120°C;

=1,16 - критерий Прандтля при t=150°C;

=0,684 - критерий Прандтля.

Средний коэффициент теплоотдачи от потока пара к поверхности плоской стенки находим по формуле, Вт/(м2·К):

, (1.3)

где – средний критерий Нуссельта;

=2,593·10-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности при t=120°C;

=2,884·10-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности при t=150°C;

l – длина ребра, м.

Сведём расчеты в таблицу.

Таблица 1.2 – Расчёт Re, и

w

tП =120оС

tП=150оС

Re · 106

, Вт/(м2·К)

Re · 106

·104,

, Вт/(м2·К)

5

2.61

5878.10

25.403

5.50

1.113

53.418

10

5.23

10234.37

44.229

11.00

1.934

93.007

15

7.85

14155.79

61.176

16.51

2.676

128.644

20

10.47

17819.07

77.008

22.01

3.368

161.935

25

13.08

21301.64

92.058

27.52

4.027

193.583

Рассчитываем критерий Био по формуле:

(1.4)

где – средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

S – толщина плиты, м.

– коэффициент теплопроводности материала плиты, Вт/(м·К).

Таблица 1.3 – Расчёт критерия Био Bi

w

Bi

tП =120оС

tП =150 оС

5

3.603

7.577

10

6.273

13.192

15

8.677

18.247

20

10.923

22.969

25

13.057

27.458

1.2 Расчёт времени нагрева и критерия Фурье Fo

Исходя из критерия Био, находим значения i из трансцендентального уравнения (2.5).

. (1.5)

Таблица 1.4 – Расчет i

tП, оС

Bi

1

2

3

4

5

120

3,603

1,239479

3,888884

6,772161

9,777846

12,83996

6,273

1,357677

4,130169

6,9924

9,985715

13,01553

8,677

1,409744

4,256372

7,163847

10,13295

13,14965

10,923

1,439737

4,334619

7,26694

10,24233

13,2556

13,057

1,4289

4,3058

7,2281

10,2003

13,2142

150

7,577

1,389438

4,205651

7,101068

10,06985

13,09104

13,192

1,460535

4,391077

7,345904

10,33119

13,34599

18,247

1,489357

4,472041

7,465625

10,47449

13,5002

22,969

1,505354

4,518169

7,536929

10,5645

13,60252

27,458

1,515655

4,54823

7,584483

10,62633

13,6751

Из уравнения (2.6) находим время нагрева и критерий Фурье Fo:

, (1.6)

где - температура на поверхности плиты, , оС;

при tП = 120 оС: оС,

при tП = 150 оС: оС;

- начальный температурный напор, , оС;

при tП = 120 оС: оС,

при tП = 150 оС: оС;

Fo – критерий Фурье:

(1.7)

где - коэффициент температуропроводности:

(1.8)

Сведём расчёты в таблицу.

Таблица 1.5 - Расчет времени и критерия Фурье Fo

w, м/с

tП = 120 оС

tП = 150 оС

Fo

, с

Fo

, с

5

0.307732

16196.42

0.017835

938.6708

10

0.106724

5617.052

0.004835

254.4644

15

0.055591

2925.818

0.000581

30.58334

20

0.035247

1855.117

-

-

25

0.041995

2210.239

-

-

1.3 Расчёт температурного поля

Рассчитываем температурное поле:

; (1.9)

. (1.10)

Таблица 1.6 - Расчет tХ

tП, оС

w, м/с

tХ, оС

х= 0 %

х=25%

х = 50%

х =75%

х = 100%

120

5

56,673

54,106

46,63

34,91

20

10

81,744

77,743

65,688

45,9

20

15

94,407

92,826

84,718

61,77

20

20

95,02

94,974

94,13

80,619

20

25

95,346

94,768

94,865

90,211

20

150

5

125

124,923

123,177

107,34

50

10

125,491

124,665

124,838

122,787

50

15

130,398

120,513

126,3

132,047

50

20

-

-

-

-

-

25

-

-

-

-

-

1.4 Расчёт количества тепла , подведённого к единице площади поверхности за время с обеих сторон плиты

Количество тепла , подведённое к единице площади поверхности за время с обеих сторон плиты, кДж/м2:

; (1.11)

где – количество тепла, подведённое через единицу площади поверхности при её нагреве от начальной температуры до температуры, равной температуре потока пара, кДж/м2:

, (1.12)

где – плотность плиты, кг/м3;

с – теплоёмкость плиты, Дж/м·К;

, оС;

при tП = 120 оС: оС;

при tП = 150 оС: оС.

Таблица 1.7 – Расчёт количество тепла

w

, МДж/м2

tП =120оС

tП =150 оС

5

76,6

17,04

10

4,5

7,2

15

3,2

1,1

20

2,5

-

25

2,8

-

Рисунок 1.3 температурное поле при 120 С

Рисунок 1.4 температурное поле при 150 С

Вывод: В ходе решения этой задачи я выяснил, что чем больше температура насыщенного пара, тем меньше время процесса нагрева и меньше критерий Фурье. Из графиков зависимости распределения температуры от скорости движения пара видно, что с увеличением скорости движения пара равномерность прогрева уменьшается, а коэффициент теплоотдачи увеличивается, то есть успевают прогреваться поверхностные слои плиты. В этой задаче мы показали, что изменение температуры по сечению плиты зависит от критерия Био; также мы определили расход теплоты на единицу объема плиты и выяснили, что чем больше скорость потока воздуха, тем больше расход теплоты.

2 Передача теплоты через оребренную поверхность плоской стенки

Задание. Исследовать эффективность оребрения поверхности плоской стенки в зависимости от высоты ребра h и теплопроводных свойств его материала при граничных условиях третьего ряда.

Плоская стенка с размерами по высоте 800 мм и ширине 1000 мм оребрена продольными ребрами прямоугольного сечения. По ширине стенки размещено 50 ребер. Для оптимального размера ребра выполнить расчеты распределения температуры, определить плотность теплового потока, передаваемого ребром, оценить вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребренной поверхностью стенки по сравнению с неоребренной. Данные к заданию приведены в табл. 2.1

Таблица 2.1

Вариант

Размеры ребра, мм

Температура, оС

Скорость движения воздуха, w, м/с

высота h

толщина

окружающего воздуха tв

у основания ребра t0

8

10, 20, 30, 40, 50

3,0

30

110

2, 6, 12, 20

В условиях стационарной теплопроводности ребра третьего рода распределение температуры в нем для одномерной задачи описывается дифференциальным уравнением:

, (1)

где = t – tж – разность между текущей температурой на поверхности ребра и температурой на поверхности ребра и температурой окружающей среды;

m – параметр ребра, 1/м

, (2)

где u =2(+l) – периметр ребра;

– коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/мК;

f – площадь сечения ребра, м2;

– коэффициент теплообмена между поверхностью ребра и воздухом, Вт/м2К.

Для данной задачи имеем:

= 370 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности для меди;

= 100 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности для латуни;

= 46 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности для стали.

Параметр рассчитаем по следующей формуле:

, (3)

где =2,67·10-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности воздуха при заданной температуре.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи воздуха нам нужно вычислить :

1) критерий Рейнольдса

, (4)

где l – высота плиты, т.к. нагретый воздух поднимается снизу вверх вдоль рёбер

– коэффициент кинематической вязкости, равный 15,0610-6 м2/с.

2) критерий Нуссельта для вынужденной конвекции

, (5)

где =0,703 - критерий Прандтля;

=0,684 - критерий Прандтля.

3) критерий Грасгофа для случая естественной конвекции

, (6)

где =1/273 – температурный коэффициент объёмного расширения воздуха

h – высота стенки

4) критерий Нуссельта для случая естественной конвекции

(7)

при

Таблица 2.2 Полученные значения коэффициентов

w

Re

Nu

0

0

230,9254237

7,707136017

2

106241,6999

336,0495578

11,21565399

6

318725,0996

809,2828406

27,00981481

12

637450,1992

1409,043266

47,02681899

20

1062416,999

2120,329366

70,7659926

Таблица 2.3 Значения параметра m

w

m стали

m меди

m латуни

0

18,316979

6,458503691

12,4231799

2

22,096305

7,79108068

14,98644291

6

34,290052

12,09055407

23,2566451

12

45,245996

15,95358174

30,68732719

20

55,503408

19,57030985

37,64424261

Теперь можно найти температурный напор по высоте ребра по формуле:

(8)

где 0 – температурный напор у основания ребра

Преобразовав полученные значения температурного напора в изменение температуры по высоте ребра, получим значения, представленные в таблице.

Таблица 2.4 – Значение температуры ребра 0,01 м

X

t, C, при w=0 м/с

t, C, при w=2 м/с

t, C, при w=6 м/с

t, C, при w=12 м/с

t, C, при w=20 м/с

Сталь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0025

109,203

108,846

107,288

105,419

103,339

0,005

108,634

108,024

105,365

102,187

98,671

0,0075

108,294

107,532

104,217

100,265

95,905

0,01

108,180

107,368

103,835

99,627

94,989

Медь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0025

109,900

109,854

109,650

109,393

109,091

0,005

109,828

109,750

109,400

108,961

108,444

0,0075

109,785

109,688

109,251

108,701

108,056

0,01

108,892

108,609

107,575

106,491

105,350

Латунь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0025

109,631

109,464

108,724

107,810

106,759

0,005

109,367

109,082

107,816

106,255

104,465

0,0075

109,209

108,853

107,272

105,326

103,096

0,01

109,157

108,776

107,091

105,016

102,641

Таблица 2.5 – Значение температуры ребра 0,02 м

X

t, C, при w=0 м/с

t, C, при w=2 м/с

t, C, при w=6 м/с

t, C, при w=12 м/с

t, C, при w=20 м/с

Сталь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,005

106,923

105,615

100,339

94,789

89,401

0,01

104,743

102,521

93,635

84,451

75,731

0,015

103,442

100,680

89,689

78,453

67,931

0,02

103,010

100,068

88,387

76,487

65,396

Медь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,005

109,601

109,421

108,623

107,639

106,510

0,01

109,316

109,008

107,643

105,963

104,041

0,015

109,146

108,760

107,056

104,962

102,569

0,02

109,089

108,678

106,861

104,629

102,080

Латунь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,005

108,548

107,908

105,177

102,033

98,690

0,01

107,514

106,421

101,778

96,473

90,887

0,015

106,896

105,533

99,757

93,188

86,314

0,02

106,690

105,237

99,087

92,102

84,807

Таблица 2.6 – значение температуры ребра 0,03 м

X

t, C, при w=0 м/с

t, C, при w=2 м/с

t, C, при w=6 м/с

t, C, при w=12 м/с

t, C, при w=20 м/с

Сталь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0075

106,923

105,615

100,339

94,789

89,401

0,015

104,743

102,521

93,635

84,451

75,731

0,0225

103,442

100,680

89,689

78,453

67,931

0,03

103,010

100,068

88,387

76,487

65,396

Медь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0075

109,109

108,711

106,981

104,916

102,635

0,015

105,662

104,379

99,482

94,280

88,931

0,0225

108,094

108,094

103,565

99,207

94,438

0,03

107,967

107,062

103,141

98,501

93,430

Латунь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0075

106,820

105,472

100,051

94,379

88,897

0,015

104,569

102,279

93,154

83,779

74,928

0,0225

103,225

100,379

89,098

77,636

66,971

0,03

102,779

99,748

87,759

75,624

64,387

Таблица 2.7 – Значение температуры ребра 0,04 м

X

t, C, при w=0 м/с

t, C, при w=2 м/с

t, C, при w=6 м/с

t, C, при w=12 м/с

t, C, при w=20 м/с

Сталь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,01

106,923

105,615

100,339

94,789

89,401

0,02

104,743

102,521

93,635

84,451

75,731

0,03

103,442

100,680

89,689

78,453

67,931

0,04

103,010

100,068

88,387

76,487

65,396

Медь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,01

108,433

107,744

104,817

101,470

97,937

0,02

107,318

106,142

101,168

95,527

89,638

0,03

106,651

106,651

99,000

92,021

84,782

0,04

106,429

104,866

98,281

90,863

83,184

Латунь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,01

104,552

102,357

94,126

86,355

79,470

0,02

100,719

97,018

83,366

70,905

60,335

0,03

98,443

93,862

77,135

62,186

49,852

0,04

97,688

92,818

75,095

59,368

46,517

Таблица 2.8 – Значение температуры ребра 0,05 м

X

t, C, при w=0 м/с

t, C, при w=2 м/с

t, C, при w=6 м/с

t, C, при w=12 м/с

t, C, при w=20 м/с

Сталь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,0125

106,923

105,615

100,339

94,789

89,401

0,025

104,743

102,521

93,635

84,451

75,731

0,0375

103,442

100,680

89,689

78,453

67,931

0,05

103,010

100,068

88,387

76,487

65,396

Медь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,013

107,584

106,542

102,243

97,560

92,858

0,025

105,869

104,095

96,825

89,013

81,301

0,038

104,844

104,844

93,624

84,017

74,634

0,05

104,504

102,151

92,565

82,374

72,455

Латунь

0

110,000

110,000

110,000

110,000

110,000

0,013

101,863

98,779

88,025

78,796

71,145

0,025

96,187

91,035

73,541

59,329

48,336

0,038

92,836

86,495

65,316

48,699

36,428

0,05

91,728

84,999

62,650

45,324

32,737

Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, определяется по выражению:

(9)

Таблица 2.9 – Тепловой поток, передаваемый через основание ребра

w, м/с

Q, Вт при h=0,01м

Q, Вт при h=0,02м

Q, Вт при h=0,03м

Q, Вт при h=0,04м

Q, Вт при h=0,05м

сталь

0

13,431634

26,0097649

37,084867

46,3198405

53,677167

2

19,448725

37,1414645

51,903893

63,3584166

71,755422

6

45,814963

82,6282018

107,35087

122,018474

130,08878

12

77,643218

131,631324

160,4049

173,597909

179,22789

20

113,30133

180,660377

209,15282

219,440431

222,9383

медь

0

108,03706

209,208979

298,29133

372,57263

431,75113

2

156,4354

298,746562

417,48783

509,622047

577,16318

6

368,51166

664,618145

863,47436

981,452946

1046,3663

12

624,52153

1058,77369

1290,2134

1396,33101

1441,6157

20

911,33682

1453,13782

1682,3162

1765,06434

1793,1994

латунь

0

29,199205

56,5429672

80,619277

100,695305

116,68949

2

42,279837

80,7423141

112,83455

137,735688

155,99005

6

99,597745

179,626526

233,37145

265,257553

282,8017

12

168,7896

286,155052

348,70631

377,38676

389,62586

20

246,30725

392,73995

454,68005

477,044415

484,64848

Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, при абсолютной теплопроводности материала ребра (= ) и при температуре по всей поверхности ребра, равной температуре в его основании, определяется по формуле:

(10)

Таблица 2.10 – Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром при абсолютной теплопроводимости материала ребра

w, м/с

Q, Вт при h=0,01м

Q, Вт при h=0,02м

Q, Вт при h=0,03м

Q, Вт при h=0,04м

Q, Вт при h=0,05м

0

13,581515

27,1630302

40,744545

54,3260604

67,907575

2

19,764225

39,5284509

59,292676

79,0569019

98,821127

6

47,596696

95,1933913

142,79009

190,386783

237,98348

12

82,87066

165,741321

248,61198

331,482642

414,3533

20

124,70383

249,407664

374,1115

498,815329

623,51916

Тогда отношение действительного теплового потока к максимальному оценивается коэффициентом эффективности продольного ребра прямоугольного сечения:

(11)

Таблица 2.11 - Коэффициент эффективности ребра

w,м/с

E, при h=0,01

E, при h=0,02

E, при h=0,03

E, при h=0,04

E, при h=0,05

сталь

0

0,9889644

0,95754283

0,9101799

0,85262653

0,7904445

2

0,9840368

0,93961346

0,8753845

0,80142802

0,7261142

6

0,962566

0,86800355

0,751809

0,64089782

0,5466295

12

0,9369205

0,79419739

0,6452018

0,52370136

0,4325485

20

0,9085634

0,72435776

0,5590655

0,43992319

0,3575484

медь

0

0,9986119

0,99447523

0,9876714

0,97833173

0,966631

2

0,9979815

0,99198438

0,982179

0,96883628

0,9523087

6

0,9951556

0,98095447

0,9583367

0,92869976

0,8936953

12

0,9916016

0,96739169

0,9300475

0,88324053

0,8308319

20

0,987426

0,95188034

0,8990036

0,83585542

0,7689429

латунь

0

0,994887

0,97991771

0,956135

0,92507943

0,8885559

2

0,9925802

0,97109255

0,9376577

0,89524843

0,8470914

6

0,9823526

0,93362223

0,8641336

0,78549356

0,706861

12

0,9697486

0,89085473

0,7888061

0,68582922

0,5938405

20

0,955296

0,84590208

0,7179397

0,60180879

0,5072162

Эффективность оребрения стенки можно оценить, вычислив вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой.

Для этого надо сначала найти тепловой поток ребристой стенки:

(12)

После подстановки известных значений можно упростить:

(13)

Тепловой поток, отводимый от неоребрённой стенки можно вычислить по формуле:

(14)

После упрощения получим:

(15)

Тогда коэффициент, учитывающий отношение теплоты, отведённой к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой, вычисляется по формуле:

(16)

Таблица 2.12 - Коэффициент эффективности оребрения плоской стенки

w,м/с

K, при h=0,01

K, при h=0,02

K, при h=0,03

K, при h=0,04

K, при h=0,05

Сталь

0

2,4375025

3,83000338

5,0561069

6,07849309

6,8930087

2

2,4300936

3,77608675

4,8991535

5,77056813

6,4093789

6

2,3978105

3,56074379

4,3417349

4,80508581

5,0600275

12

2,3592502

3,33879631

3,8608566

4,10022707

4,202376

20

2,316613

3,12877687

3,472317

3,59635716

3,6385318

Медь

0

2,4520084

3,94106528

5,4056516

6,83452617

8,2175645

2

2,4510606

3,93357488

5,3808769

6,77741736

8,1098908

6

2,4468116

3,90040608

5,2733302

6,53602291

7,6692397

12

2,4414679

3,85962053

5,1457246

6,26261592

7,1966383

20

2,4351895

3,81297532

5,0056934

5,97762603

6,7313618

латунь

0

2,4464078

3,89728837

5,2633985

6,51424907

7,6306022

2

2,4429393

3,87074964

5,1800524

6,33483542

7,3188761

6

2,4275613

3,75807012

4,8484032

5,67473294

6,2646349

12

2,4086101

3,62946109

4,5086196

5,07531829

5,4149559

20

2,3868793

3,49428096

4,1889591

4,56999132

4,7637217

2.2 Выводы

При обтекании плоской стенки потоком воздуха у поверхности стенки образуется гидродинамический пограничный слой. Скорость потока воздуха в этом слое изменяется от 0 до скорости невозмущённого потока. Течение жидкости в пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным. При ламинарном течении воздух движется «слоями», не смешивающимися между собой, струйками. При турбулентном же режиме возникают завихрения в потоке, что приводит к перемешиванию слоёв жидкости. Таким образом, в гидродинамическом слое у поверхности плиты вначале развивается ламинарный режим, впоследствии переходящий в турбулентный. Этот переход происходит на интервале определённой длины, а не в какой-то точке слоя. Однако даже при развитом турбулентном режиме у самой поверхности плиты образуется тонкий подслой, движение жидкости в котором подчиняется ламинарному режиму.

В гидродинамическом слое, образующемся у поверхности плиты, изменяется не только скорость потока, но и температура от значения на стенке до значения воздуха вдали от поверхности плиты. Надо сказать, что при ламинарном режиме течения температура в пограничном слое по мере отдаления от плиты уменьшается, теплообмен осуществляется за счёт теплопроводности от слоя к слою и к стенке. Турбулентный же режим отличается тем, что при смешении слоёв их температура уравновешивается и теплообмен происходит конвекцией.

Наличие рёбер на плите вносит свои коррективы в процесс теплообмена.

Рассмотрим распределение температуры по высоте ребра.

По мере отдаления от основания ребра к вершине температура начинает снижаться. Тепло в ребре передаётся теплопроводностью. При скоростях 0 и 2 м/с развивается ламинарный режим течения потока воздуха, а при скоростях в 6,12 и 20 м/с ламинарный режим переходит в турбулентный. Этот переход заметен на графиках, так как при турбулентном режиме на теплообмен значительное влияние оказывает скорость потока. В этом режиме слой воздуха, нагреваемый у поверхности стенки и рёбер, перемешивается и сносится холодным набегающим потоком. Интенсивность теплообмена при этом прямопропорциональна скорости потока.

Увеличение высоты ребра приводит к увеличению перепада температур у основания ребра и на вершине. Это можно объяснить тем, что увеличивая высоту ребра, увеличивается и площадь поверхности теплообмена, то есть большее количество тепла отводится от поверхности ребра набегающим потоком.

Материал ребра также влияет на процесс теплообмена. Так как тепло в ребре распространяется теплопроводностью, то вещество, имеющее больший коэффициент теплопроводности, будет лучше проводить тепло от основания ребра к вершине ,и как следствие, перепад температур будет меньше, чем для веществ с большим . Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает медь =370 Вт/м*К, у латуни =100 Вт/м*К, а у стали =46 Вт/м*К. Из полученных графиков видно, что перепад температур при высоте ребра 50 мм и скорости потока 20 м/с в меди составляет 20 градусов, у латуни 40, а у стали 50.

Рисунок 2.1 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,01 м

Рисунок 2.2 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,01 м

Рисунок 2.3 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,01 м

Рисунок 2.4 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,02 м

Рисунок 2.5 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,02 м

Рисунок 2.6 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,02 м

Рисунок 2.7 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,03м

Рисунок 2.8 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,03 м

Рисунок 2.9 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,03 м

Рисунок 2.10 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,04 м

Рисунок 2.11 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,04 м

Рисунок 2.12 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,04 м

Рисунок 2.13 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,05 м

Рисунок 2.14 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,05 м

Рисунок 2.15 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,05 м

Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, зависит от коэффициента теплопроводности материала ребра, то есть чем выше этот коэффициент, тем лучше материал проводит подведённое тепло. Однако при различных режимах течения потока воздуха, на количество подводимого тепла влияет скорость потока и высота ребра. При ламинарном режиме прогретый слой теплопроводностью передаёт тепло другому слою и так происходит нагрев воздушного потока, при турбулентном же режиме, тепло прогретого нижнего слоя вихревыми потоками смешивается с другими слоями и отвод тепла идёт интенсивно. Увеличение высоты ребра лишь улучшает отвод тепла за счёт увеличения общей теплообменной поверхности.

Увеличение высоты ребра приводит к тому, что влияние скорости потока на максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, уменьшается.

Эффективность оребрения с увеличением высоты ребра уменьшается, аналогично влияние скорости теплового потока. Однако для материалов с большим коэффициентом теплопроводности эффективность оребрения уменьшается не так значительно. Поэтому для оребрения плоской стенки эффективнее использовать медные рёбра, однако с экономической точки зрения это не выгодно, так как медь дорогая. Наиболее дешёвым из рассматриваемых материалов является сталь, поэтому для отопления аудиторий, кабинетов, комнат чаще применяют стальные рёбра, хотя эффективность значительно ниже, чем для меди и латуни. Для комнатных условий, когда присутствует естественная циркуляция воздушного потока и нам необходимо нагреть комнату, целесообразнее и экономически выгоднее применять стальные рёбра с высотой 50 мм. В этом случае вклад оребрённой стенки по отношению к неоребрённой больше в 5 раз, для меди в 6 раз, а для латуни в 5,5. То есть это выгодно те только с экономической точки зрения, которая является определяющей при проектировании, но и с технической, так как эффективность находится на уровне с более дорогими медью и латунью.

3 Конвективный теплообмен при пленочной конденсации пара.

Исследовать влияние параметров состояния пара, его скорости движения, диаметра трубки на коэффициент теплообмена при пленочной конденсации пара для вертикального и горизонтального расположения трубки.

В расчетах учесть коридорную и шахматную компоновку трубок в пучке, эффект от повышения давления пара, степень паросодержания и перегрева пара, зависимость физических параметров теплоносителя от температуры, содержание воздуха в паре, волновой характер течения конденсатной пленки, а также особенности теплообмена при вертикальном и горизонтальном расположении труб.

Оценить возможность применения конденсатоотводчиков на поверхности вертикально располагаемых трубок.

Рассчитать среднее значение коэффицментов теплообмена, потоки теплоты и количество конденсирующегося пара на поверхностях труб в пучке. Данные к заданию приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные к выполнению задания по теме

Абсо-лютное давление пара p, МПа

Сте-пень паро-содер-жания х

Степень пере-нагрева пара (t-ts), oC

Содер-жание воздуха в паре, %

Ско-рость дви-жения потока пара w, м/с

Темпера-турный напор t=ts-tc, оС

Геометрические характеристики

d, мм

l, м

n0

np

0,008; 0,08; 0,8;8,0

0,6; 0,8; 1

10, 20, 30

2, 6, 10

5, 10

4, 6, 8, 10

16, 20

2, 4

100

10

Если пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения ts, то он конденсируется и конденсат оседает на стенке.

Конденсация может быть капельная, когда конденсат оседает на поверхности в виде отдельных капель, пленочная, когда на поверхности образуется сплошная пленка жидкости, и объемная – в виде отдельных капель внутри объема пара или парогазовой смеси за счет перенасыщения пара (его плотность больше плотности насыщенного пара).

Средняя величина коэффициента теплообмена при конденсации сухого насыщенного пара на вертикальной стенке высотой h для ламинарного движения конденсатной пленки определяется по формуле:

,

(1)

где – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/мК;

’ и ’’ – соответственно плотность жидкости и сухого насыщенного пара, кг/м3;

r – удельная теплота фазового перехода, Дж/кг;

– коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с;

h – высота вертикальной стенки, м;

tc – температура стенки, оС;

х – локальный коэффициент теплообмена, Вт/м2К.

Формулу (1), используя некоторые критерии, можно представить в следующем виде:

Nu=0,943(ArPrKa)0,25

(2)

или,

Nu=0,728(ArPrKa)0,25,

(3)

где Nu – критерий Нуссельта,

Ar – Архимеда,

Pr – Прандтля,

Ka – Кутателадзе.

Далее рассмотрим факторы, влияющие на теплообмен при конденсации пара.

Влияние давления пара.

Формулы (2) и (3) получены для условий теплообмена в процессе конденсации неподвижного сухого пара при больших давлениях, когда плотность пара соизмерима с плотностью конденсата. При малых давлениях (p<0,1 МПа) плотность пара ’’ по сравнению с плотностью конденсата ничтожно мала и поэтому множитель приближается к единице. Тогда в формулах (2) и (3) вместо критерия Архимеда можно принять критерий Галилея (, или ). Следовательно, критерий Архимеда учитывает влияние повышения давления пара.

Таблица 3.2 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 0,008 МПа

t, OC

Ga

Ka

Nu

, Вт/м2К

h=2, м

4

1,91242E+14

143,6888136

17375,22725

5496,496695

6

1,91242E+14

95,79254238

15700,29016

4966,645427

8

1,91242E+14

71,84440678

14610,76631

4621,984368

10

1,91242E+14

57,47552543

13818,00964

4371,202933

h=4, м

4

1,52993E+15

143,6888136

29221,53262

4621,984368

6

1,52993E+15

95,79254238

26404,63543

4176,434335

8

1,52993E+15

71,84440678

24572,28203

3886,610086

10

1,52993E+15

57,47552543

23239,02955

3675,728876

d=0,016, м

4

97915780,45

143,6888136

464,7805909

18378,64438

6

97915780,45

95,79254238

419,9766732

16606,97989

8

97915780,45

71,84440678

390,8323328

15454,53618

10

97915780,45

57,47552543

369,6263993

14615,99791

d=0,020, м

4

97915780,45

143,6888136

464,7805909

14702,91551

6

97915780,45

95,79254238

419,9766732

13285,58391

8

97915780,45

71,84440678

390,8323328

12363,62894

10

97915780,45

57,47552543

369,6263993

11692,79833

Таблица 3.3 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 0,08 МПа

t, OC

Ga

Ka

Nu

, Вт/м2К

h=2, м

4

7,95544E+14

135,0470177

19990,97732

6764,365709

6

7,95544E+14

90,03134511

18063,88716

6112,294408

8

7,95544E+14

67,52350883

16810,34117

5688,130876

10

7,95544E+14

54,01880706

15898,23911

5379,502047

h=4, м

4

6,36436E+15

135,0470177

33620,68234

5688,130876

6

6,36436E+15

90,03134511

30379,71592

5139,806456

8

6,36436E+15

67,52350883

28271,51126

4783,128863

10

6,36436E+15

54,01880706

26737,54454

4523,603987

d=0,016, м

4

407318758,6

135,0470177

534,7508909

22618,01993

6

407318758,6

90,03134511

483,2019764

20437,68813

8

407318758,6

67,52350883

449,6701072

19019,41188

10

407318758,6

54,01880706

425,2717307

17987,4492

d=0,020, м

4

795544450,4

135,0470177

632,17021

21390,80257

6

795544450,4

90,03134511

571,2302683

19328,77206

8

795544450,4

67,52350883

531,5896634

17987,4492

10

795544450,4

54,01880706

502,7464636

17011,47915

Таблица 3.4 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 0,8 МПа

t, OC

Ar

Ka

Nu

, Вт/м2К

h=2, м

4

2,47929E+15

117,1509729

22039,2328

7459,338446

6

2,49085E+15

78,10064861

19937,85498

6748,111855

8

2,49085E+15

58,57548646

18554,26472

6279,825682

10

2,49085E+15

46,86038917

17547,54017

5939,092445

h=4, м

4

1,98343E+16

117,1509729

37065,42372

6272,530959

6

1,98343E+16

78,10064861

33492,39113

5667,871542

8

1,98343E+16

58,57548646

31168,18193

5274,548798

10

1,98343E+16

46,86038917

29477,04653

4988,360267

d=0,016, м

4

1269398176

117,1509729

589,5409306

24941,80134

6

1269398176

78,10064861

532,7103661

22537,46166

8

1269398176

58,57548646

495,7428552

20973,47133

10

1269398176

46,86038917

468,8446455

19835,48452

d=0,020, м

4

2479293313

117,1509729

696,9417354

23588,49933

6

2479293313

78,10064861

629,7579485

21314,61525

8

2479293313

58,57548646

586,0558069

19835,48452

10

2479293313

46,86038917

554,2573618

18759,24305

Таблица 3.5 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 8 МПа

t, OC

Ar

Ka

Nu

, Вт/м2К

h=2, м

4

4,99609E+15

64,18397744

21769,21994

6055,496443

6

5,30854E+15

42,78931829

19971,29515

5555,371626

8

5,30854E+15

32,09198872

18585,38431

5169,855829

10

5,30854E+15

25,67359098

17576,97126

4889,34777

h=4, м

4

3,3829E+29

64,18397744

62446421,21

8685292,412

6

3,3829E+29

42,78931829

56426711,32

7848047,625

8

3,3829E+29

32,09198872

52510971,74

7303431,254

10

3,3829E+29

25,67359098

49661810,9

6907158,826

d=0,016, м

4

2557997175

64,18397744

582,3181912

20247,77269

6

2557997175

42,78931829

526,1838843

18295,92797

8

2557997175

32,09198872

489,6692795

17026,27947

10

2557997175

25,67359098

463,1006123

16102,46094

d=0,020, м

4

4996088232

64,18397744

688,4031789

19149,16112

6

4996088232

42,78931829

622,0424918

17303,22036

8

4996088232

32,09198872

578,8757654

16102,46094

10

4996088232

25,67359098

547,4668978

15228,76732

Влияние сухости и перегрева пара.

Влияние этого фактора учитывается критерием Кутателадзе Ка. Для определения значения Ка для влажного пара нужно предыдущий коэффициент умножить на степень паросодержания x.

Таблица 3.6 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 0,008 МПа

t, OC

Ga

Ka

Nu

, Вт/м2К

x=0,6

p=0,008, МПа

h=2, м

4

1,91242E+14

86,21328814

15292,14144

4837,531253

6

1,91242E+14

57,47552543

13818,00964

4371,202933

8

1,91242E+14

43,10664407

12859,10691

4067,862689

10

1,91242E+14

34,48531526

12161,39246

3847,147005

h=4, м

4

1,52993E+15

86,21328814

25718,21383

4067,862689

6

1,52993E+15

57,47552543

23239,02955

3675,728876

8

1,52993E+15

43,10664407

21626,35382

3420,651153

10

1,52993E+15

34,48531526

20452,94266

3235,052125

d=0,016, м

4

97915780,45

86,21328814

409,0588531

16175,26063

6

97915780,45

57,47552543

369,6263993

14615,99791

8

97915780,45

43,10664407

343,9761232

13601,71868

10

97915780,45

34,48531526

325,3125322

12863,71131

d=0,020, м

4

97915780,45

86,21328814

409,0588531

12940,2085

6

97915780,45

57,47552543

369,6263993

11692,79833

8

97915780,45

43,10664407

343,9761232

10881,37494

10

97915780,45

34,48531526

325,3125322

10290,96905

x=0,8

h=2, м

4

1,91242E+14

114,9510509

16432,47538

5198,265629

6

1,91242E+14

76,6340339

14848,41768

4697,163237

8

1,91242E+14

57,47552543

13818,00964

4371,202933

10

1,91242E+14

45,98042034

13068,26667

4134,028495

h=4, м

4

1,52993E+15

114,9510509

27636,01928

4371,202933

6

1,52993E+15

76,6340339

24971,96239

3949,827728

8

1,52993E+15

57,47552543

23239,02955

3675,728876

10

1,52993E+15

45,98042034

21978,11719

3476,289742

d=0,016, м

4

97915780,45

114,9510509

439,5623439

17381,44871

6

97915780,45

76,6340339

397,1894147

15705,91188

8

97915780,45

57,47552543

369,6263993

14615,99791

10

97915780,45

45,98042034

349,5710656

13822,95738

d=0,020, м

4

97915780,45

114,9510509

439,5623439

13905,15897

6

97915780,45

76,6340339

397,1894147

12564,7295

8

97915780,45

57,47552543

369,6263993

11692,79833

10

97915780,45

45,98042034

349,5710656

11058,36591

x=1

h=2, м

4

1,91242E+14

143,6888136

17375,22725

5496,496695

6

1,91242E+14

95,79254238

15700,29016

4966,645427

8

1,91242E+14

71,84440678

14610,76631

4621,984368

10

1,91242E+14

57,47552543

13818,00964

4371,202933

h=4, м

4

1,52993E+15

143,6888136

29221,53262

4621,984368

6

1,52993E+15

95,79254238

26404,63543

4176,434335

8

1,52993E+15

71,84440678

24572,28203

3886,610086

10

1,52993E+15

57,47552543

23239,02955

3675,728876

d=0,016, м

4

97915780,45

143,6888136

464,7805909

18378,64438

6

97915780,45

95,79254238

419,9766732

16606,97989

8

97915780,45

71,84440678

390,8323328

15454,53618

10

97915780,45

57,47552543

369,6263993

14615,99791

d=0,020, м

4

97915780,45

143,6888136

464,7805909

14702,91551

6

97915780,45

95,79254238

419,9766732

13285,58391

8

97915780,45

71,84440678

390,8323328

12363,62894

10

97915780,45

57,47552543

369,6263993

11692,79833

Таблица 3.8 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 0,08 МПа

t, OC

Ga

Ka

Nu

, Вт/м2К

x=0,6

p=0,08, МПа

h=2, м

4

7,95544E+14

81,0282106

17594,29377

5953,397652

6

7,95544E+14

54,01880706

15898,23911

5379,502047

8

7,95544E+14

40,5141053

14794,97856

5006,190744

10

7,95544E+14

32,41128424

13992,22683

4734,562889

h=4, м

4

6,36436E+15

81,0282106

29589,95713

5006,190744

6

6,36436E+15

54,01880706

26737,54454

4523,603987

8

6,36436E+15

40,5141053

24882,08887

4209,687851

10

6,36436E+15

32,41128424

23532,02677

3981,276962

d=0,016, м

4

407318758,6

81,0282106

470,6405353

19906,38481

6

407318758,6

54,01880706

425,2717307

17987,4492

8

407318758,6

40,5141053

395,759939

16739,20763

10

407318758,6

32,41128424

374,2866415

15830,96515

d=0,020, м

4

795544450,4

81,0282106

556,3804214

18826,2964

6

795544450,4

54,01880706

502,7464636

17011,47915

8

795544450,4

40,5141053

467,8583019

15830,96515

10

795544450,4

32,41128424

442,4730632

14972,00246

x=0,8

h=2, м

4

7,95544E+14

108,0376141

18906,29906

6397,342109

6

7,95544E+14

72,02507609

17083,76971

5780,651148

8

7,95544E+14

54,01880706

15898,23911

5379,502047

10

7,95544E+14

43,21504565

15035,62623

5087,618921

h=4, м

4

6,36436E+15

108,0376141

31796,47821

5379,502047

6

6,36436E+15

72,02507609

28731,36142

4860,928828

8

6,36436E+15

54,01880706

26737,54454

4523,603987

10

6,36436E+15

43,21504565

25286,8084

4278,160513

d=0,016, м

4

407318758,6

108,0376141

505,736168

21390,80257

6

407318758,6

72,02507609

456,9842147

19328,77206

8

407318758,6

54,01880706

425,2717307

17987,4492

10

407318758,6

43,21504565

402,1971709

17011,47915

d=0,020, м

4

795544450,4

108,0376141

597,8696715

20230,17204

6

795544450,4

72,02507609

540,2362331

18280,02399

8

795544450,4

54,01880706

502,7464636

17011,47915

10

795544450,4

43,21504565

475,4682494

16088,46366

x=1

h=2, м

4

7,95544E+14

135,0470177

19990,97732

6764,365709

6

7,95544E+14

90,03134511

18063,88716

6112,294408

8

7,95544E+14

67,52350883

16810,34117

5688,130876

10

7,95544E+14

54,01880706

15898,23911

5379,502047

h=4, м

4

6,36436E+15

135,0470177

33620,68234

5688,130876

6

6,36436E+15

90,03134511

30379,71592

5139,806456

8

6,36436E+15

67,52350883

28271,51126

4783,128863

10

6,36436E+15

54,01880706

26737,54454

4523,603987

d=0,016, м

4

407318758,6

135,0470177

534,7508909

22618,01993

6

407318758,6

90,03134511

483,2019764

20437,68813

8

407318758,6

67,52350883

449,6701072

19019,41188

10

407318758,6

54,01880706

425,2717307

17987,4492

d=0,020, м

4

795544450,4

135,0470177

632,17021

21390,80257

6

795544450,4

90,03134511

571,2302683

19328,77206

8

795544450,4

67,52350883

531,5896634

17987,4492

10

795544450,4

54,01880706

502,7464636

17011,47915

Таблица 3.9 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 0,8 МПа

t, OC

Ar

Ka

Nu

, Вт/м2К

x=0,6

p=0,8, МПа

h=2, м

4

2,47929E+15

70,29058375

19396,98746

6565,051315

6

2,49085E+15

46,86038917

17547,54017

5939,092445

8

2,49085E+15

35,14529187

16329,82615

5526,948288

10

2,49085E+15

28,1162335

15443,79606

5227,064967

h=4, м

4

1,98343E+16

70,29058375

32621,71444

5520,528117

6

1,98343E+16

46,86038917

29477,04653

4988,360267

8

1,98343E+16

35,14529187

27431,48273

4642,192303

10

1,98343E+16

28,1162335

25943,09462

4390,314418

d=0,016, м

4

1269398176

70,29058375

518,8618923

21951,57209

6

1269398176

46,86038917

468,8446455

19835,48452

8

1269398176

35,14529187

436,3091053

18458,99828

10

1269398176

28,1162335

412,6356753

17457,44274

d=0,020, м

4

2479293313

70,29058375

613,3866011

20760,51511

6

2479293313

46,86038917

554,2573618

18759,24305

8

2479293313

35,14529187

515,7945941

17457,44274

10

2479293313

28,1162335

487,8084093

16510,22998

x=0,8

h=2, м

4

2,47929E+15

93,72077833

20843,41949

7054,606744

6

2,49085E+15

62,48051889

18856,05904

6381,970164

8

2,49085E+15

46,86038917

17547,54017

5939,092445

10

2,49085E+15

37,48831133

16595,43888

5616,846845

h=4, м

4

1,98343E+16

93,72077833

35054,31346

5932,193522

6

1,98343E+16

62,48051889

31675,14788

5360,341952

8

1,98343E+16

46,86038917

29477,04653

4988,360267

10

1,98343E+16

37,48831133

27877,66941

4717,699865

d=0,016, м

4

1269398176

93,72077833

557,5533883

23588,49933

6

1269398176

62,48051889

503,8063588

21314,61525

8

1269398176

46,86038917

468,8446455

19835,48452

10

1269398176

37,48831133

443,4058894

18759,24305

d=0,020, м

4

2479293313

93,72077833

659,1267982

22308,62531

6

2479293313

62,48051889

595,5882955

20158,11853

8

2479293313

46,86038917

554,2573618

18759,24305

10

2479293313

37,48831133

524,1842491

17741,39671

x=1

h=2, м

4

2,47929E+15

117,1509729

22039,2328

7459,338446

6

2,49085E+15

78,10064861

19937,85498

6748,111855

8

2,49085E+15

58,57548646

18554,26472

6279,825682

10

2,49085E+15

46,86038917

17547,54017

5939,092445

h=4, м

4

1,98343E+16

117,1509729

37065,42372

6272,530959

6

1,98343E+16

78,10064861

33492,39113

5667,871542

8

1,98343E+16

58,57548646

31168,18193

5274,548798

10

1,98343E+16

46,86038917

29477,04653

4988,360267

d=0,016, м

4

1269398176

117,1509729

589,5409306

24941,80134

6

1269398176

78,10064861

532,7103661

22537,46166

8

1269398176

58,57548646

495,7428552

20973,47133

10

1269398176

46,86038917

468,8446455

19835,48452

d=0,020, м

4

2479293313

117,1509729

696,9417354

23588,49933

6

2479293313

78,10064861

629,7579485

21314,61525

8

2479293313

58,57548646

586,0558069

19835,48452

10

2479293313

46,86038917

554,2573618

18759,24305

Таблица 3.10 Расчет критериев и коэффициента теплоотдачи при давлении 8 МПа

t, OC

Ar

Ka

Nu

, Вт/м2К

x=0,6

p=8, МПа

h=2, м

4

4,99609E+15

38,51038647

19159,34597

5329,513491

6

4,99609E+15

25,67359098

17312,42341

4815,759069

8

4,99609E+15

19,25519323

16111,02534

4481,56879

10

4,99609E+15

15,40415459

15236,86703

4238,406078

h=4, м

4

3,99687E+16

38,51038647

32222,05069

4481,56879

6

3,99687E+16

25,67359098

29115,90956

4049,554538

8

3,99687E+16

19,25519323

27095,40692

3768,53513

10

3,99687E+16

15,40415459

25625,25373

3564,060478

d=0,016, м

4

2557997175

38,51038647

512,5050747

17820,30239

6

2557997175

25,67359098

463,1006123

16102,46094

8

2557997175

19,25519323

430,9636801

14985,0284

10

2557997175

15,40415459

407,5802842

14171,96487

d=0,020, м

4

4996088232

38,51038647

605,8717174

16853,40145

6

4996088232

25,67359098

547,4668978

15228,76732

8

4996088232

19,25519323

509,4753553

14171,96487

10

4996088232

15,40415459

481,8320422

13403,01686

x=0,8

h=2, м

4

4,99609E+15

51,34718195

20588,05709

5726,934949

6

4,99609E+15

34,23145464

18603,40964

5174,869894

8

4,99609E+15

25,67359098

17312,42341

4815,759069

10

4,99609E+15

20,53887278

16373,07917

4554,46373

h=4, м

4

3,99687E+16

51,34718195

34624,84681

4815,759069

6

3,99687E+16

34,23145464

31287,08095

4351,529544

8

3,99687E+16

25,67359098

29115,90956

4049,554538

10

3,99687E+16

20,53887278

27536,12716

3829,832224

d=0,016, м

4

2557997175

51,34718195

550,7225431

19149,16112

6

2557997175

34,23145464

497,6339934

17303,22036

8

2557997175

25,67359098

463,1006123

16102,46094

10

2557997175

20,53887278

437,9735182

15228,76732

d=0,020, м

4

4996088232

51,34718195

651,0515301

18110,15845

6

4996088232

34,23145464

588,291467

16364,37546

8

4996088232

25,67359098

547,4668978

15228,76732

10

4996088232

20,53887278

517,7622248

14402,47891

x=1

h=2, м

4

4,99609E+15

64,18397744

21769,21994

6055,496443

6

4,99609E+15

42,78931829

19670,71075

5471,758718

8

4,99609E+15

32,09198872

18305,65901

5092,045251

10

4,99609E+15

25,67359098

17312,42341

4815,759069

h=4, м

4

3,99687E+16

64,18397744

36611,31802

5092,045251

6

3,99687E+16

42,78931829

33082,06032

4601,182291

8

3,99687E+16

32,09198872

30786,32608

4281,882598

10

3,99687E+16

25,67359098

29115,90956

4049,554538

d=0,016, м

4

2557997175

64,18397744

582,3181912

20247,77269

6

2557997175

42,78931829

526,1838843

18295,92797

8

2557997175

32,09198872

489,6692795

17026,27947

10

2557997175

25,67359098

463,1006123

16102,46094

d=0,020, м

4

4996088232

64,18397744

688,4031789

19149,16112

6

4996088232

42,78931829

622,0424918

17303,22036

8

4996088232

32,09198872

578,8757654

16102,46094

10

4996088232

25,67359098

547,4668978

15228,76732

Изменение физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода.

Учитывается коэффициентом:

(4)

Таблица 3.11 Изменение физических характеристик и коэффициент данного изменения.

tc, C

ts, C

с,10-6, Пас

с, Вт/мК

s,10-6, Пас

s, Вт/мК

t

p=0,008 МПа

37,5

41,5

684

0,672

634

0,63

1,014822099

35,5

712

0,624

634

0,63

0,982070517

33,5

741

0,62

634

0,63

0,974828143

31,5

773

0,617

634

0,63

0,967927772

p=0,08 МПа

89,4

93,4

316

0,674

302

0,6767

0,992861973

87,4

324

0,674

302

0,6767

0,989763962

85,4

331

0,673

302

0,6767

0,986573513

83,4

339

0,671

302

0,6767

0,982535576

p=0,8 МПа

166,4

170,4

163

0,678

159

0,6769

0,997506266

164,4

165

0,678

159

0,6769

0,995986817

162,4

167

0,679

159

0,6769

0,995037743

160,4

169

0,679

159

0,6769

0,993558115

p=8 МПа

291

295

8944

0,564

8777

0,5563

1,002802839

289

9027

0,567

8777

0,5563

1,003640277

287

9111

0,572

8777

0,5563

1,00578492

285

9194

0,575

8777

0,5563

1,006618121

На вертикальных поверхностях под действием сил поверхностного натяжения сконденсированной среды развивается волновое течение плёнки конденсата. Его влияние учитывается коэффициентом:

(5)

Критерий Рейнольдса вычисляется по формуле:

(6)

При конденсации пара на горизонтальной трубе волновое течение не успевает развиться, и поэтому этот фактор не учитывается.

Таблица 3.12 - Влияние волнового характера движения плёнки на коэффициент теплообмена

t, 0C

Ga

Re

, Вт/м2*К

h=2 м p=0,008 МПа

4

1,535*1014

24,85

1,137

5333

6

1,535*1014

33,681

1,151

4819

10

1,535*1014

49,406

1,169

4241

12

1,535*1014

56,645

1,175

4052

h=4 м

4

1,228*1015

41,792

1,161

4485

6

1,228*1015

56,645

1,175

4052

10

1,228*1015

83,09

1,193

3567

12

1,228*1015

95,265

1,20

3408

h=2 м p=0,08 МПа

4

6,714*1014

70,12

1,19

6651

6

6,714*1014

95,041

1,20

6010

10

6,714*1014

139,412

1,22

5289

12

6,714*1014

159,84

1,23

5054

h=4 м

4

5,371*1015

117,928

1,21

5593

6

5,371*1015

159,84

1,225

5054

10

5,371*1015

234,462

1,244

4448

12

5,371*1015

268,818

1,25

4249

h=2 м p=0,8 МПа

4

2,12*1015

162,991

1,23

7412

6

2,12*1015

220,919

1,24

6698

10

2,12*1015

324,055

1,26

5895

12

2,12*1015

371,54

1,27

5632

h=4 м

4

1,696*1016

274,117

1,25

6233

6

1,696*1016

371,54

1,267

5632

10

1,696*1016

544,994

1,287

4957

12

1,696*1016

624,853

1,29

4736

h=2 м p=8 МПа

4

4,512*1015

328,385

1,26

6376

6

4,512*1015

445,094

1,28

5761

10

4,512*1015

652,888

1,30

5070

12

4,512*1015

748,557

1,30

4844

h=4 м

4

3,61*1016

552,276

1,29

5361

6

3,61*1016

748,557

1,303

4844

10

3,61*1016

1100

1,323

4264

12

3,61*1016

1260

1,33

4074

Конденсатная плёнка, образуясь, стекает вниз под действием силы тяжести. Попутное движение пара интенсифицирует теплообмен, ускоряя движение плёнки. Движение пара во встречном направлении к направлению движения плёнки наоборот затрудняет теплообмен, утолщая плёнку. Это влияние учитывается коэффициентом

(7)

где ; (8)

; (9)

; (10)

w- скорость в среднем сечении пучка, м/с

d- наружный диаметр трубы, м

Таблица 3.13 - Влияние попутного движения пара на коэффициент теплообмена

t, 0C

R

Fr

Ka

x

, Вт/м2*К

h=2 м

, Вт/м2*К

h=4 м

р=0,008 МПа, w=5 м/с, d=0,016м

4

180,804

362,442

8,5*108

253,195

6,042

32221,99

27098,37

6

180,804

362,442

5,667*108

221,186

5,842

28152,6

23671,784

10

180,804

362,442

3,4*108

186,555

5,599

23745,36

19971,633

12

180,804

362,442

2,833*108

175,555

5,514

22342,73

18791,712

d=0,02м

4

180,804

296,543

8,5*108

253,195

5,747

30648,75

25775,295

6

180,804

296,543

5,667*108

221,186

5,556

26774,36

22512,912

10

180,804

296,543

3,4*108

186,555

5,325

22583,33

18994,275

12

180,804

296,543

2,833*108

175,555

5,245

21252,74

17874,96

w=10 м/с

d=0,016м

4

180,804

1450

8,5*108

253,195

8,544

45565,15

38319,84

6

180,804

1450

5,667*108

221,186

8,26

39804,94

33469,52

10

180,804

1450

3,4*108

186,555

7,916

33571,76

28236,372

12

180,804

1450

2,833*108

175,555

7,797

31593,44

26572,176

d=0,02м

4

180,804

1190

8,5*108

253,195

8,126

43335,96

36445,11

6

180,804

1190

5,667*108

221,186

7,856

37858,06

31832,512

10

180,804

1190

3,4*108

186,555

7,529

31930,49

26855,943

12

180,804

1190

2,833*108

175,555

7,415

30045,58

25270,32

р=0,08МПа, w=5 м/с, d=0,016м

4

123,55

362,442

1,733*109

276,00

6,79

45160,29

37976,47

6

123,55

362,442

1,155*109

241,11

6,57

39455,65

33179,51

10

123,55

362,442

6,932*108

203,36

6,29

33273,1

27982,368

12

123,55

362,442

5,777*108

191,37

6,20

31319,64

26331,053

d=0,02м

4

123,55

296,543

1,733*109

276,00

6,46

42952,16

36119,594

6

123,55

296,543

1,155*109

241,11

6,24

37526,44

31557,176

10

123,55

296,543

6,932*108

203,36

5,98

31649,38

26616,832

12

123,55

296,543

5,777*108

191,37

5,89

29788,28

25043,606

w=10 м/с, d=0,016м

4

123,55

1450

1,733*109

276,00

9,60

63862,9

53703,986

6

123,55

1450

1,155*109

241,11

9,28

55790,83

46916,282

10

123,55

1450

6,932*108

203,36

8,90

47050,94

39569,408

12

123,55

1450

5,777*108

191,37

8,76

44283,15

37229,738

d=0,02м

4

123,55

1190

1,733*109

276,00

9,13

60736,93

51075,276

6

123,55

1190

1,155*109

241,11

8,83

53062,29

44621,766

10

123,55

1190

6,932*108

203,36

8,46

44750,23

37634,528

12

123,55

1190

5,777*108

191,37

8,33

42114,98

35406,917

р=0,8 МПа, w=5 м/с, d=0,016м

4

89,88

362,442

2,984*109

299,34

7,50

55612,24

46766,199

6

89,88

362,442

1,989*109

261,50

7,25

48587,29

40854,528

10

89,88

362,442

1,194*109

220,55

6,95

40982,04

34461,064

12

89,88

362,442

9,947*108

207,55

6,85

38562,3

32427,392

d=0,02м

4

89,88

296,543

2,984*109

299,34

7,14

52892,03

44478,688

6

89,88

296,543

1,989*109

261,50

6,90

46209,5

38855,168

10

89,88

296,543

1,194*109

220,55

6,61

38977,74

32775,684

12

89,88

296,543

9,947*108

207,55

6,51

36675,58

30840,832

w=10 м/с, d=0,016м

4

89,88

1450

2,984*109

299,34

10,61

78641,32

66132,13

6

89,88

1450

1,989*109

261,50

10,26

68708,08

57773,056

10

89,88

1450

1,194*109

220,55

9,83

57947,85

48727,31

12

89,88

1450

9,947*108

207,55

9,68

54529,02

45853,952

d=0,02м

4

89,88

1190

2,984*109

299,34

10,09

74794,49

62897,203

6

89,88

1190

1,989*109

261,50

9,76

65345,69

54945,792

10

89,88

1190

1,194*109

220,55

9,35

55112,36

46342,993

12

89,88

1190

9,947*108

207,55

9,21

51859,46

43609,088

р=8 МПа, w=5 м/с, d=0,016м

4

64,19

362,442

3,923*109

341,15

8,43

53768,81

45209,313

6

64,19

362,442

2,615*109

298,03

8,15

46969,43

39493,132

10

64,19

362,442

1,569*109

251,36

7,81

39611,91

33314,632

12

64,19

362,442

1,308*109

236,54

7,70

37274,58

31349,43

d=0,02м

4

64,19

296,543

3,923*109

341,15

8,02

51135,52

42995,22

6

64,19

296,543

2,615*109

298,03

7,75

44670,79

37560,376

10

64,19

296,543

1,569*109

251,36

7,43

37675,17

31685,784

12

64,19

296,543

1,308*109

236,54

7,32

35453,24

29817,606

w=10 м/с, d=0,016м

4

64,19

1450

3,923*109

341,15

11,93

76033,80

63929,925

6

64,19

1450

2,615*109

298,03

11,53

66418,57

55846,476

10

64,19

1450

1,569*109

251,36

11,05

56018,43

47112,936

12

64,19

1450

1,308*109

236,54

10,88

52712,41

44333,268

d=0,02м

4

64,19

1190

3,923*109

341,15

11,34

72316,59

60804,462

6

64,19

1190

2,615*109

298,03

10,97

63169,37

53114,46

10

64,19

1190

1,569*109

251,36

10,51

53275,56

44806,112

12

64,19

1190

1,308*109

236,54

10,35

50135,40

42165,9

Вследствие притока к охлаждаемой стенке вместе с конденсирующимся паром неконденсирующегося воздуха у стенки образуются повышенная концентрация газа и пониженное парциальное давление пара при неизменном давлении смеси пара и воздуха (закон Дальтона). У стенки осуществляется конвективно-диффузионный перенос пара, возникает так называемый стефановский поток, что снижает интенсивность теплообмена. Этот фактор учитывается коэффициентом

(11)

где tж – температура насыщения при парциальном давлении пара в смеси с воздухом;

tсм – температура парогазовой смеси, принимаемой равной температуре насыщения при заданном давлении смеси.

Температуру tж определяют из условия: pп = pсм - pв, где давление смеси принимается равным заданному, а парциальное давление воздуха

(12)

Таблица 3.14 - Влияние наличия в паре воздуха на коэффициент теплообмена

pв, МПа

pп, МПа

tж, 0C

tc, 0C

, Вт/м2*К h=2 м

, Вт/м2*К h=4 м

, Вт/м2*К d=0,018 м

, Вт/м2*К d=0,022 м

 р=0,008 МПа, r=6

0,00012

0,00588

35,792

32,16

0,908

4842,364

4072,38

12139,96

11540,68

0,00012

0,00588

35,792

30,16

0,939

4525,041

3804,828

11343,12

10789,11

0,00012

0,00588

35,792

26,16

0,963

4084,083

3435,021

10236,69

9735,93

0,00012

0,00588

35,792

24,16

0,969

3926,388

3302,352

9845,04

9360,54

r=12

0,00036

0,00564

35,037

32,16

0,719

3834,427

3224,715

9613,03

9138,49

0,00036

0,00564

35,037

30,16

0,813

3917,847

3294,276

9821,04

9341,37

0,00036

0,00564

35,037

26,16

0,888

3766,008

3167,496

9439,44

8977,68

0,00036

0,00564

35,037

24,16

0,906

3671,112

3087,648

9204,96

8751,96

r=20

0,0006

0,0054

34,252

32,16

0,523

2789,159

2345,655

6992,51

6647,33

0,0006

0,0054

34,252

30,16

0,682

3286,558

2763,464

8238,56

7836,18

0,0006

0,0054

34,252

26,16

0,809

3430,969

2885,703

8599,67

8178,99

0,0006

0,0054

34,252

24,16

0,841

3407,732

2866,128

8544,56

8124,06

р=0,08 МПа, r=6

0,0012

0,0588

85,408

81,926

0,87

5786,37

4865,91

14502,9

13789,5

0,0012

0,0588

85,408

79,926

0,914

5493,14

4619,356

13764,84

13097,62

0,0012

0,0588

85,408

75,926

0,948

5013,972

4216,704

12570,48

11954,28

0,0012

0,0588

85,408

73,926

0,957

4836,678

4066,293

12125,19

11531,85

r=12

0,0036

0,0564

84,346

81,926

0,605

4023,855

3383,765

10085,35

9589,25

0,0036

0,0564

84,346

79,926

0,737

4429,37

3724,798

11099,22

10561,21

0,0036

0,0564

84,346

75,926

0,842

4453,338

3745,216

11164,92

10617,62

0,0036

0,0564

84,346

73,926

0,868

4386,872

3688,132

10997,56

10459,4

r=20

0,006

0,054

83,246

81,926

0,33

2194,83

1845,69

5501,1

5230,5

0,006

0,054

83,246

79,926

0,553

3323,53

2794,862

8328,18

7924,49

0,006

0,054

83,246

75,926

0,732

3871,548

3255,936

9706,32

9230,52

0,006

0,054

83,246

73,926

0,777

3926,958

3301,473

9844,59

9362,85

р=0,8 МПа, r=6

0,012

0,588

158,04

154,83

0,802

5944,424

4998,866

14901,16

14171,34

0,012

0,588

158,04

152,83

0,868

5813,864

4888,576

14573,72

13861,96

0,012

0,588

158,04

148,83

0,921

5429,295

4565,397

13603,17

12940,05

0,012

0,588

158,04

146,83

0,934

5260,288

4423,424

13188,08

12543,62

r=12

0,036

0,564

156,43

154,83

0,4

2964,8

2493,2

7432

7068

0,036

0,564

156,43

152,83

0,6

4018,8

3379,2

10074

9582

0,036

0,564

156,43

148,83

0,76

4480,2

3767,32

11225,2

10678

0,036

0,564

156,43

146,83

0,8

4505,6

3788,8

11296

10744

r=20

0,06

0,54

154,76

154,83

-0,018

-

-

-

-

0,06

0,54

154,76

152,83

0,322

2156,756

1813,504

5406,38

5142,34

0,06

0,54

154,76

148,83

0,593

3495,735

2939,501

8758,61

8331,65

0,06

0,54

154,76

146,83

0,661

3722,752

3130,496

9333,32

8877,23

р=8 МПа, r=6

0,12

5,88

274,27

271,59

0,67

4271,92

3591,87

10706,6

10184

0,12

5,88

274,27

269,59

0,78

4493,58

3778,32

11263,2

10709,4

0,12

5,88

274,27

265,59

0,868

4400,76

3701,152

11032,28

10494,12

0,12

5,88

274,27

263,59

0,89

4311,16

3625,86

10804,6

10279,5

r=12

0,36

5,64

271,58

271,59

-0,0025

-

-

-

-

0,36

5,64

271,58

269,59

0,332

1912,652

1608,208

4794,08

4558,36

0,36

5,64

271,58

265,59

0,599

3036,93

2554,136

7613,29

7241,91

0,36

5,64

271,58

263,59

0,666

3226,104

2713,284

8085,24

7692,3

r=20

0,6

5,4

268,8

271,59

-0,697

-

-

-

-

0,6

5,4

268,8

269,59

-0,132

-

-

-

-

0,6

5,4

268,8

265,59

0,321

1627,47

1368,744

4079,91

3880,89

0,6

5,4

268,8

263,59

0,434

2102,296

1768,116

5268,76

5012,7

При определении необходимого числа конденсатоотводчиков исходят из равенства коэффициентов теплоотдачи для вертикального и горизонтального расположения труб, но при этом необходимо учесть некоторое повышение интенсивности теплообмена на вертикальной стенке за счёт развивающегося волнового течения плёнки конденсата. Тогда длина промежутка между кондесатоотводчиками на вертикальной стенке:

м (13)

Отсюда число конденсатоотводчиков определяется по формуле:

(14)

Таблица 3.15 - Число конденсатоотводчиков

d, м

h, м

n

0,018

0,1045

10

0,022

0,127706

8

Среднее значение коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальном трубном пучке определяется по формуле:

(15)

где 1 – коэффициент теплообмена для первого ряда труб пучка, рассчитываемого с учётом влияния давления пара и изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода;

i – коэффициент теплоотдачи последующих рядов труб в пучке, определяемых из выражения i = i * 1 c использованием коэффициентов i, являющихся табличными значениями.

Таблица 3.16 - Значение среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальном трубном пучке с шахматной и коридорной компоновкой труб в пучке

t, 0C

, Вт/м2*К

d=0,018 м

шахматный порядок

, Вт/м2*К

d=0,022 м

шахматный порядок

, Вт/м2*К

d=0,018 м

коридорный порядок

, Вт/м2*К

d=0,022 м

коридорный порядок

 

p=0,008 МПа

 

4

11120

10570

9689

9211

6

9968

9481

8683

8259

8

8637

8215

7524

7156

10

8195

7792

7139

6788

 

p=0,08 МПа

4

13970

13280

12170

11570

6

12570

11960

10950

10420

8

10980

10440

9561

9092

10

10440

9933

9098

8653

 

p=0,8 МПа

4

15630

14860

13620

12950

6

14100

13410

12280

11680

8

12360

11760

10770

10240

10

11790

11220

10270

9772

 

p=8 МПа

4

13510

12850

11770

11190

6

12220

11620

10650

10120

8

10780

10250

9389

8931

10

10300

9804

8976

8540

Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб определяется по формуле:

(16)

где (17)

n0 – общее число труб в пучке.

Таблица 3.17 - Значение общей площади теплообменной поверхности

d=0,018 м l=2 м

d=0,018 м l=4 м

d=0,022 м l=2 м

d=0,022 м l=4 м

F=9,953 м2

F=19,905 м2

F=12,164 м2

F=24,328 м2

Таблица 3.18 - Значение мощности теплового потока при конденсации пара на пучке труб шахматной и коридорной компоновок труб

t, 0C

Q, Вт

Шахматная

компоновка

Q, Вт

Шахматная

компоновка

d=0,016 м l=2 м

d=0,016 м l=4м

d=0,02 м l=2 м

d=0,02 м l=4 м

 

p=0,008

МПа

4

442709,44

885374,4

514293,92

1028587,84

6

595269,02

1190478,24

691961,3

1383922,608

8

859640,61

1719194,85

999272,6

1998545,2

10

978778,02

1957457,7

1137382,7

2274765,312

 

p=0,08

МПа

4

556173,64

1112291,4

646151,68

1292303,36

6

750655,26

1501235,1

872888,64

1745777,28

8

1092839,4

2185569

1269921,6

2539843,2

10

1246911,8

2493698,4

1449900,1

2899800,288

 

p=0,8

МПа

4

622261,56

1244460,6

723028,16

1446056,32

6

842023,8

1683963

978715,44

1957430,88

8

1230190,8

2460258

1430486,4

2860972,8

10

1408150,4

2816159,4

1637761

3275521,92

 

p=8

МПа

4

537860,12

1075666,2

625229,6

1250459,2

6

729753,96

1459434,6

848074,08

1696148,16

8

1072933,4

2145759

1246810

2493620

10

1230190,8

2460258

1431070,3

2862140,544

t, 0C

Q, Вт

Коридорная компоновка

Q, Вт

Коридорная компоновка

d=0,016 м l=2 м

d=0,016м l=4 м

d=0,02 м l=2 м

d=0,02 м l=4 м

 

p=0,008

МПа

 

4

385738,468

771438,2

448170,42

896340,83

6

518531,394

1037011

602774,86

1205549,7

8

748863,72

1497652

870455,84

1740911,7

10

852653,604

1705222

990830,78

1981661,6

 

p=0,08

МПа

 

4

484512,04

968975,4

562949,92

1125899,8

6

653912,1

1307759

760493,28

1520986,6

8

951606,33

1903117

1105950,9

2211901,8

10

1086628,728

2173148

1263061,1

2526122,2

 

p=0,8

МПа

 

4

542239,44

1084424

630095,2

1260190,4

6

733337,04

1466600

852453,12

1704906,2

8

1071938,1

2143769

1245593,6

2491187,2

10

1226607,72

2453092

1426399,3

2852798,6

 

p=8

МПа

 

4

468587,24

937127,4

544460,64

1088921,3

6

635996,7

1271930

738598,08

1477196,2

10

934487,17

1868880

1086366,8

2172733,7

12

1072057,536

2144007

1246566,7

2493133,4

Количество сконденсированного пара на трубном пучке определяется по формуле:

(18)

Таблица 3.19 - Количество сконденсированного пара на трубном пучке

t, 0C

M, кг

Шахматная

компоновка

M, кг

Шахматная

компоновка

d=0,016м l=2 м

d=0,016м l=4м

d=0,020м l=2 м

d=0,020м l=4 м

 

p=0,008

МПа

4

0,183

0,367

0,213

0,426

6

0,246

0,493

0,286

0,573

8

0,356

0,712

0,414

0,827

10

0,405

0,810

0,471

0,942

 

p=0,08

МПа

4

0,242

0,485

0,282

0,563

6

0,327

0,654

0,381

0,761

8

0,476

0,953

0,554

1,107

10

0,544

1,087

0,632

1,264

 

p=0,8

МПа

4

0,298

0,597

0,347

0,693

6

0,404

0,807

0,469

0,938

8

0,590

1,179

0,686

1,371

10

0,675

1,350

0,785

1,570

 

p=8,0

МПа

4

0,343

0,686

0,398

0,797

6

0,465

0,930

0,540

1,081

8

0,684

1,367

0,795

1,589

10

0,784

1,568

0,912

1,824

t, 0C

M, кг

Коридорная

компоновка

M, кг

Коридорная

компоновка

d=0,016м l=2 м

d=0,016м l=4 м

d=0,02м l=2 м

d=0,02м l=4 м

 

p=0,008

МПа

 

4

0,160

0,319

0,186

0,371

6

0,215

0,429

0,250

0,499

8

0,310

0,620

0,360

0,721

10

0,353

0,706

0,410

0,820

 

p=0,08

МПа

 

4

0,211

0,422

0,245

0,491

6

0,285

0,570

0,332

0,663

8

0,415

0,830

0,482

0,964

10

0,474

0,947

0,551

1,101

 

p=0,8

МПа

 

4

0,260

0,520

0,302

0,604

6

0,352

0,703

0,409

0,817

8

0,514

1,028

0,597

1,194

10

0,588

1,176

0,684

1,368

 

p=8,0

МПа

 

4

0,299

0,597

0,347

0,694

6

0,405

0,811

0,471

0,941

8

0,596

1,191

0,692

1,385

10

0,683

1,366

0,794

1,589

4.2 Выводы.

Конденсация пара – это процесс перехода пара в жидкое состояние или твёрдое. Конденсация пара встречается очень часто как в обыденной жизни ( дождь, снег), так и в технических процессах (в конденсаторах паровых турбин). Конденсация может осуществляться как в объёме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена. В первом случае конденсация может происходить как самопроизвольно, при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения, так и искусственно, путём введения охлажденных частиц. Во втором же случае конденсат образуется на поверхности теплообмена в виде плёнки, но в ряде случаев в виде отдельных капель. Поэтому различают плёночную и капельную конденсации пара. В этой работе будет рассмотрена плёночная конденсация пара.

Процесс парообразования идёт при увеличении температуры жидкости, обратный ему – конденсации, с охлаждением пара. Поэтому степень охлаждения пара относительно температуры насыщения имеет очень важную, если не решающую роль в этом процессе. Также конденсация пара характеризуется смачиванием поверхности. Так плёночная конденсация происходит на смачиваемой поверхности, а капельная – на несмачиваемой. Вообще же, эффект смачивания и сам процесс конденсации связан с действием сил поверхностного натяжения, действующих на молекулу конденсата. Действие этих сил различно на границе раздела паровой и жидкой фаз, в толще плёнки и на границе раздела жидкой фазы и твёрдой поверхности стенки. Рассмотрим случай, когда на стенке трубы образовалась капля, которая граничит ещё и с паровой фазой. Здесь действуют 3 силы поверхностного натяжения: между стенкой и жидкостью, стенкой и газом, жидкостью и газом. Если сила поверхностного натяжения между стенкой и газом оказывается больше, чем между жидкостью и стенкой, то угол смачивания меньше 90 градусов и происходит плёночная, конденсация пара. В обратном случае происходит процесс капельной конденсации. Однако на практике чаще встречаются промежуточные случаи частичного смачивания или частичного несмачивания поверхности.

При конденсации пара выделяется большое количество тепла, и прежде всего это тепло фазового перехода, однако передаче тепла пара к стенке препятствует слой конденсата или плёнка и граничный с жидкостью слой пара, толщина которого принимается равной длине свободного пробега молекул пара. Поэтому температура от пара к стенке трубы сначала скачком падает, а затем постепенно снижается в слое жидкости.

На интенсивность теплообмена данного процесса влияют многие факторы. При увеличении давления пара расстояние между молекулами уменьшается, это приводит к увеличению числа соударений их и как следствие к росту температуры пара. Чем больше давление, тем выше температура пара и температура его насыщения. Для конденсации пара на стенке трубы необходим температурный напор или разность температур между стенкой и температурой насыщения пара. Поэтому, чем выше давление и как следствие температура пара, тем меньше будет число молекул пара переходить в жидкое состояние, тоньше плёнка конденсата и ниже термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, а значит интенсивность теплообмена возрастает. Это подтверждают полученные зависимости.

Рисунок 3.1 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м

Рисунок 3.2 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м

Рисунок 3.3 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм

Рисунок 3.4 - Влияние давления пара на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм

При увеличении давления до некоторого значения (приблизительно 0,5 МПа) происходит уплотнение пара, а значит большее количество молекул пара захватываются плёнкой, плёнка утолщается, растёт термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, поэтому снижается интенсивность теплообмена. Положение трубы в пространстве не меняет характер изменения интенсивности теплообмена от давления. Однако для вертикальной трубы большей длины коэффициент теплоотдачи ниже, потому что больше боковая поверхность трубы (в данном случае в 2 раза по сравнению с первой трубой), значит больше молекул пара будут захвачены плёнкой конденсата.

Увеличение температурного напора ведёт к интенсификации конденсации из-за переохлаждения пара относительно температуры насыщения, утолщению плёнки, и как следствие – к уменьшению интенсивности теплообмена. Причём коэффициент теплоотдачи сильно снижается при увеличении температурного напора до определённого значения ( 12 градусов), дальнейшее снижение температуры стенки будет не так значительно влиять на коэффициент теплоотдачи.

Рисунок 3.5 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,008 МПa

Рисунок 3.6 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.7 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.8 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 0,006 МПа

Рисунок 3.9 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.10 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.11 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.12 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.13 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 0,8 МПа.

Рисунок 3.14 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.15 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.16 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.17 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 2 м при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.18 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена вертикальной трубы длиной 4 м при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.19 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.20 - Влияние степени сухости на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 8,0 МПа

Чем меньше влаги в паре, тем меньше молекул конденсируется на стенке, тем тоньше плёнка конденсата и меньше термическое сопротивление передаче тепла от пара к стенке, а значит и больше интенсивность теплообмена. Поэтому рост степени сухости ведёт к увеличению коэффициента теплоотдачи. Увеличение диаметра горизонтальной трубы ведёт к увеличению её боковой поверхности, а значит большее число молекул пара может сконденсироваться на стенке трубы, следовательно снижается коэффициент теплоотдачи.

Перегрев пара приводит к тому, что разность температур насыщения пара и стенки увеличивается , и меньшее число молекул сконденсирует на стенке. Увеличивая степень перегрева пара, улучшается теплообмен между стенкой и паром.

Рисунок 3.21 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.22 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.23 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.24 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена горизонтальных труб при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.25 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0, 8 МПа

Рисунок 3.26 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 0, 8 МПа

Рисунок 3.27 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 8 МПа

Рисунок 3.28 - Влияние изменения физических характеристик среды от температуры в процессе фазового перехода на интенсивность теплообмена вертикальных труб при давлении пара 8 МПа

Рисунок 3.29 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,008 МПа.

Рисунок 3.30 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,08 МПа.

Рисунок 3.31 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.32 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 2 м при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.33 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.34 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.35 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.36 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена вертикальной трубы высотой 4 м при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.37 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.38 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.39 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.40 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 16 мм при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.41 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.42 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.43 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.44 - Влияние содержания в паре воздуха на интенсивность теплообмена горизонтальной трубы диаметром 20 мм при давлении пара 8,0 МПа

Наличие воздуха в паре значительно влияет на процесс теплообмена. Воздух при движении в паре образует воздушную плёнку на стенке, так поверхность трубы не смачивается, воздух обладает большим термическим сопротивлением, поэтому интенсивность теплообмена сильно снижается с увеличение содержания воздуха в паре. Так при 6 процентах содержания воздуха в паре теплообмен нарушается, коэффициент теплоотдачи стремится к нулю при увеличении давления.

Рисунок 3.45 - Влияние шахматного порядка расположения труб диаметра 16 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 3.46 - Влияние коридорного порядка расположения труб диаметра 16 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 3.47 - Влияние шахматного порядка расположения труб диаметра 20 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 3.48 - Влияние коридорного порядка расположения труб диаметра 20 мм в пучке на интенсивность теплообмена

Рисунок 3.49 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 16 мм при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.50 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 16 мм при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.51 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 16 мм при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.52 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 18 мм при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.53 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 20 мм при давлении пара 0,008 МПа

Рисунок 3.54 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 20 мм при давлении пара 0,08 МПа

Рисунок 3.55 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 20 мм при давлении пара 0,8 МПа

Рисунок 3.56 - Мощность теплового потока при конденсации пара на пучке труб диаметра 20 мм при давлении пара 8,0 МПа

Рисунок 3.57 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 16 мм и длины 2м

Рисунок 3.58 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 16 мм и длины 4 м

Рисунок 3.59 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 20 мм и длины 2 м.

Рисунок 3.60 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при шахматной компоновке труб диаметра 22 мм и длины 4 м

Рисунок 3.61 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 16 мм и длины 2 м

Рисунок 3.62 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 16 мм и длины 4 м

Рисунок 3.63 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 20 мм и длины 2 м

Рисунок 3.64 - Количество сконденсировнного пара на трубном пучке при коридорной компоновке труб диаметра 20 мм и длины 4 м

По графикам можно сказать, что интенсивность теплообмена при шахматной компоновке труб больше, чем при коридорной, так как при движении потока пара между труб происходит значительная турбулизация потока и как следствие уменьшение толщины плёнки в результате её сноса и срыва. Однако пар при движении через шахматное расположение обтекает теплообменные поверхности труб лучше, чем при коридорном, поэтому большее количество пара конденсируется на поверхности труб. Увеличение длины труб в 2 раза приводит к увеличению количества сконденсированного пара в 2 раза, так как увеличивается поверхность конденсации.

Заключение

Тепломассообмен является в большей степени прикладной наукой, которая основывается на экспериментальных данных. Многие процессы нельзя описать формулой, поэтому приходится искать зависимости, вводить критерии, чтобы описать их. Такие процессы как конденсация пара, кипение жидкости являются обыденными, однако именно они чаще всего происходят в технических усройствах, машинах, котельных установках, но до сих пор окончательно не изучены. Знание и умение рассчитывать эти процессы позволяет обеспечивать целые города теплом и электрической энергией. Поэтому приобретение навыков практических расчетов и углубление знаний по этим процессам необходимы будущим специалистам в области теплоэнергетики.

Библиографический список

  1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. И доп. М.: Энергия, 1981. 418 с.
  2. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 80с.
  3. Овсянников В.В., Кузнецов В.Н. Теоретические основы теплотехники ч.2 Тепломассообмен: Методические указания к курсовому проектированию по специальности 1007 – «Промышленная теплоэнергетика». Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2002. 37 с.


2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

4000,0

4500,0

5000,0

5500,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

4000,0

4500,0

5000,0

5500,0

6000,0

6500,0

7000,0

0

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

7000,0

8000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

7000,0

8000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

4000,0

4500,0

5000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

4000,0

4500,0

5000,0

5500,0

6000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

7000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

18000,0

20000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

18000,0

20000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

18000,0

20000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

18000,0

20000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

0,0

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

18000,0

20000,0

0

2

4

6

r, %

t=4

t=6

t=8

t=10

6000,0

7000,0

8000,0

9000,0

10000,0

11000,0

12000,0

13000,0

14000,0

15000,0

16000,0

4

6

8

10

12

t, C

p=0,008 МПа

p=0,08 МПа

p=0,8 МПа

p=8 МПа

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

4

6

8

10

12

t, C

p=0,008 МПа

p=0,08 МПа

p=0,8 МПа

p=8 МПа

6000,0

7000,0

8000,0

9000,0

10000,0

11000,0

12000,0

13000,0

14000,0

15000,0

16000,0

4

6

8

10

12

t, C

p=0,008 МПа

p=0,08 МПа

p=0,8 МПа

p=8 МПа

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

15000

16000

4

6

8

10

12

t, C

p=0,008 МПа

p=0,08 МПа

p=0,8 МПа

p=8 МПа

350000

850000

1350000

1850000

2350000

2850000

3350000

4

6

8

10

12

t, C

Q, Вт

l=2

шахматный

порядок

l=4

шахматный

порядок

l=2

коридорный

порядок

l=4

коридорный

порядок

350000

850000

1350000

1850000

2350000

2850000

3350000

4

6

8

10

12

t, C

Q, Вт

l=2

шахматный

порядок

l=4

шахматный

порядок

l=2

коридорный

порядок

l=4

коридорный

порядок

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

0

2

4

6

p, МПа

М, кг

t=4

t=6

t=8

t=10

Инженерные расчёты теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики