Влияние примесей неконденсирующихся газов

Наличие в паре неконденсирующегося газа затрудняет доступ пара к поверхности конденсации. В результате скорость конденсации уменьшается. Будем полагать, что стенка непроницаема. Ее температура tс ниже температуры основной массы парогазовой смеси tп0. По стенке течет пленка образовавшегося конденсата.

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №1 - открытая онлайн библиотека

Распределение концентраций и температуры при конденсации пара из парогазовой смеси

Общее количество теплоты, передаваемой поверхности пленки, равно:

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №2 - открытая онлайн библиотека (14.1)

где Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека -коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к пленке конденсата. Пар, достигший поверхности раздела фаз, конденсируется. При этом выделяется теплота фазового перехода

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №4 - открытая онлайн библиотека (14.2)

Теплота фазового перехода вместе с теплом, переданным конвективной теплоотдачей, переносится к твердой стенке, на которой находится конденсированная фаза. Перенос теплоты через движущуюся пленку конденсата определяется конвективным теплообменом, описанным ранее (Лекция №13). Твердой стенке передается и некоторая теплота переохлаждения конденсата относительно tпов так как температура по толщине пленки изменяется от tпов до tc. Большей частью теплота переохлаждения конденсата невелика и во многих расчетах ею можно пренебречь. Тогда при стационарном режиме плотность теплового потока можно считать неизменной по толщине слоя конденсированной фазы. Пренебрегая переохлаждением конденсата, плотность теплового потока на стенке можно описать следующим уравнением:

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №5 - открытая онлайн библиотека (14.3)

При расчете qc часто используют уравнение

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №6 - открытая онлайн библиотека , (14.4)

где Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека см - коэффициент теплоотдачи, отнесенный к разности температур стенки и пара (парогазовой смеси) вдали от поверхности конденсации.

Коэффициент теплоотдачи Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека см является сложной величиной, учитывающей различные термические сопротивления. Суммарное термическое сопротивление

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №9 - открытая онлайн библиотека   (14.5)

можно расчленить на термическое сопротивление конденсата Rk; термическое сопротивление фазового перехода Rф и термическое сопротивление подвода теплоты (пара) к поверхности конденсации (диффузионное термическое сопротивление) Rд

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №10 - открытая онлайн библиотека . (14.6)

Этим термическим сопротивлениям соответствуют температурные разности Δtk, Δtф и Δtд (смотри рисунок выше), причем

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №11 - открытая онлайн библиотека . (14.7)

Тогда для расчета qc получают уравнение

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №12 - открытая онлайн библиотека .   (14.8)

Во многих задачах Rф много меньше, чем Rk и Rд, что позволяет пренебречь термическим сопротивлением фазового перехода (т.е. полагать tп,пов=tж,пов). Пренебрегая скачком температур Δtф, температуру поверхности конденсата tпов (tж,пов) можно рассматривать, как температуру насыщения пара при давлении насыщения pп,пов.

Тогда

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №13 - открытая онлайн библиотека .   (14.9)

Значения Rk или Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека k могут быть определены по формулам, приведенным для конденсации сухого насыщенного пара на поверхности жидкости. Диффузионное термическое сопротивление определяется как:

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №15 - открытая онлайн библиотека     (14.10)

Коэффициент теплоотдачи Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека должен быть определен с учетом сопутствующего процесса массообмена. Из уравнения следует, что коэффициент теплоотдачи Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека см зависит от интенсивности взаимосвязанных процессов тепло- и массообмена в парогазовой смеси и в пленке. Для расчета коэффициента Влияние примесей неконденсирующихся газов - №3 - открытая онлайн библиотека см необходимо предварительно определить коэффициент массоотдачи β. Средний коэффициент массоотдачи при пленочной и капельной конденсации пара на горизонтальной трубе из паровоздушной смеси, практически неподвижной на большом удалении от трубки, может быть определен по формуле

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №19 - открытая онлайн библиотека ,   (14.11)

где

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №20 - открытая онлайн библиотека .     (14.12)

Rт - радиус трубки (поверхности конденсата); R0 - радиус, при котором берется концентрация газа на удалении mг0. Индекс «пов» соответствует поверхности конденсата. Формула получена применительно к условиям, когда при фиксированном значении R0 много больше, чем Rт параметры парогазовой смеси однородны. Формулой учитываются как стефанов поток, так и свободная конвекция.

При

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №21 - открытая онлайн библиотека .   (14.13)

При Gr≤8 можно принять ψ=1 (свободная конвекция не влияет). В формулу подставляются физические параметры парогазовой смеси, взятые по температуре tп0. Практически важной задачей является процесс тепломассообмена при пленочной конденсации пара из движущейся паровоздушной смеси на горизонтальных одиночных трубах и трубах, собранных в пучок. Тепло- и массоотдача при названных условиях исследовались в ряде работ. В опытах паровоздушная смесь поступала к одиночной горизонтальной трубе и пучку горизонтальных труб сверху. Давление паровоздушной смеси р изменялось от 0,0627 до 0,089МПа; начальное содержание воздуха в водяном паре εг0=pг0/p=0,01÷0,56. Получено, что средний коэффициент массоотдачи определенного ряда труб при Re=350÷4800 может быть рассчитан по уравнению:

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №22 - открытая онлайн библиотека , (14.14)

где для одиночной трубы с=0,47, для первого рада пучка с=0,53, для третьего и последующих рядов с=0,82. Здесь

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №23 - открытая онлайн библиотека .   (14.15)

Ниже на рисунке данные, полученные по формуле для одиночной трубы сопоставлены с опытными данными.

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №24 - открытая онлайн библиотека

Массоотдача при конденсации пара из движущейся парогазовой смеси на одиночной трубе (р≈0,09×105 и 0,8×105Па) О - экспериментальные данные; сплошная черта - расчёт по формуле.   Массоотдача существенно снижается с увеличением содержания воздуха в паре. При Re=40÷350, для труб пятого ряда получена формула:  
Влияние примесей неконденсирующихся газов - №25 - открытая онлайн библиотека . (14.16)

В приведенных формулах число Рейнольдса подсчитывается по скорости парогазовой смеси перед трубой или рядом труб, определяющим размером является внешний диаметр труб; физические параметры смеси определяются по состоянию паровоздушной смеси перед трубой или рядом труб.

Коэффициент вязкости смеси подсчитывается по уравнению:

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №26 - открытая онлайн библиотека .   (14.17)

где μп и μг - соответственно коэффициенты динамической вязкости пара и воздуха. Формулы получены в опытах с шахматным пучком. Поперечный относительный шаг был равен 1,475, продольный 1,275. В расчетной практике эти формулы в первом приближении распространяются и на пучки с другими шагами.

При условиях опытов количество теплоты, передававшейся от смеси к поверхности пленки конденсата путем конвективной теплоотдачи, а также теплота переохлаждения конденсата были весьма малы сравнительно с теплотой фазового перехода, и ими можно пренебречь. Значение tпов, по которому вводят в расчет рп,пов, определяется путем последовательного приближения.

При этом используется уравнение

Влияние примесей неконденсирующихся газов - №27 - открытая онлайн библиотека . (14.18)