ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ

1. Общие представления о процессе кипения.

Кипением называют процесс образования пара внутри объема жидкости. Условия протекания этого процесса своеобразны и сложны.
Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т. е. превышение температуры жидкости 1Ж относительно температуры насыщения (, при заданном давлении р. Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходим!.!" для возникновения кипения.
Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при нормальном давлении. Однако в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения.
Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.
Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы. При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы, служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.
Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включении, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе теплоты через

Средний коэффициент теплоотдачи пучка при угле атаки Ч/ = 90° ^(0,6 + 0,9 + 6) а' ,пдаУ,Т4 Вт/(м>.Х).
пл а
Теперь следует внести поправку на угол атаки. При Ч? = 60° ev= 0,94, а|1уч - 0,94.74,0 = 69,5 Вт/(н°-°С).
ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ 4-1. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ
1. Общие представления о процессе кипения. Кипением называют процесс образования пара внутри объема жидкости. Условия протекания этого процесса своеобразны и сложны.
Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т. е. превышение температуры жидкости 1Ж относительно температуры насыщения (, при заданном давлении р. Этот перегрев, как показывают опыты, зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, давления, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходим!.!" для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов при нормальном давлении. Однако в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева жидкости расходуется на парообразование, жидкость быстро охлаждается до температуры насыщения. Высокий начальный перегрев, необходимый для вскипания чистой жидкости, объясняется затрудненностью самопроизвольного образования внутри жидкости начальных маленьких пузырьков пара (зародышей) из-за значительной энергии взаимного притяжения молекул в жидкости.
Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ (например, воздух), а также мельчайшие взвешенные частицы. При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы, служат готовыми начальными зародышами паровой фазы.
Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют адсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включении, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе теплоты через
такую поверхность Образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности, так называемых центрах парообразования. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается В слоях ЖИДКОСТИ, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру. Для практики этот вид кипения представляет наибольший интерес. Рассмотрим его основные характеристики.
По мере увеличения температуры поверхности нагрева (Ф и соответственно температурного напора At = („— ts число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме. Последнее объясняется тем, что температуря в объеме кипящей жидкости, как показывают опытные данные, не равна температуре насыщения, а несколько превышает се. Например, для воды при атмосферном давлении перегрев в объеме составляет 0,2- 0,4°С (рис. 4-1),
На рис. 4-2, а схематически показана картина пузырькового режима кипения жидкости. При повышении температурного напора At значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном дуется на образование пара. Поэтому уравнен


Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Д( растет не беспредельно. При некотором значении At он достигает максимального значения, а при дальнейшем повышении At начинает уменьшаться. До момента достижения максимального теплового потока режим гашения называют пузырьковым. Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической нлатноапыи тгилшяп потока и обозначают

Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ftp, «1,2-10» Вт/м3; соответствующее критическое значение температурного напора Д(„ t = = 25--35°С. (Эти величины относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий и других жидкостей величины будут иными).
При ббльших значениях Д( наступает второй, переходный режим кипения (рис. 4-2, б). Он характеризуется тем, что как и на самой поверхности пагрена, так и гю.;изн псе пузырьки непрерывно (ду собой, образуются большие паровые полости.
Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис, 4-3). Лишь при достижении i-
Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q, подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока 9„р1 и qKpl соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.
Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в атомных реакторах, при охлаждении реактивных двигателей, а также в ряде других технических устройств.
На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара на современных тепловых электрических станциях осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб при высоком давлении. Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена. Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), описанные выше условия остаются
115
жени я
в силе, но вместе с этим появляется ряд новых особенностей. На развитие процесса может влиять скорость вынужденного движения жидкости или пароводяной смеси. Кроме того, сама структура двухфазного потока (характер распределения паровой и жидкой фаз внутри канала) также имеет важное значение для развития про-цесса кипения и возникновения кризиса кипения. На рис. 4-4 [ казаны характерные режимы течения пароводяной смеси в труб; В зависимости от содержания пара, скорости движения смеси, дна-метра трубы и ее расположения в пространстве характер дви--я различным; в виде однородной эмульсии (рис. 4-4,а), в виде двух самостоятельных потоков воды и пара (рис. 4-4, 6, д). В одних случаях при этом вода движется по периферии у стенки в форме ки, а пар в центральной части трубы (рис. 4-4, б), в других получается раздельное движение — жидкость в одной, а пар в другой части трубы (рис. 4-4, д). Пузырьковый режим течения смеси (рис. 4-4, в, г) личен при вертикальном и горизонтальном положениях трубы.
Процесс кипения может происходить е при течении в трубе недогретой до т ратуры насыщения жидкости, если интен сивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока. Такой процесс возникает, когда температура стенки /с превышает пературу насыщения (,; он охватывает граничный слой жидкости около сп (рис. 4-5). Паров* в холодное ядро ,......„ .. »wi«™. руются. Этот вид
иием с недогревом. 2. Теплообмен при пузырьковом вают, что при увеличении температурного напора At = tc-а также давления р на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования г, В итоге все большее ко чество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается поверхности нагрева. Вследствие этого увеличиваются турбулиза-ни я и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки также интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя. Все это способствует улучшению теплоотдача. В целом процесс пузырькового кипения носит довольно хаотичный характер.
Исследования показывают, что на технических поверхностях нагрева число центров парообразования г зависит от материала, строения и микрошероховатости поверхности, наличия неоднородности состава поверхности и адсорбированного поверхностью газа

4-5. Прои
je пузырьки, потока, быстро конденси-, кипени
Наблюдения показы-
щейня; с — коэффициент пропорциональности.
При температ\ж 2(1 С гкпифмюппо,-: !мтяжсп:1с воды равно 0,068, бензола 0,0288, этилового спирта 0,0222 н ртути 0,47 Н/м.
Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р„ выше давления окружающей его жидкости рж. Их разность определяется уравнением Лапласа
и — поверхностное натяжение; R— радиус пузырька (в об-«1 случае — средний радиус кривизны поверхности раздела жид-
Уравнение Лапласа выражает условие механического равновесия. Оно показывает, что поверхностное натяжение наподобие упругой оболочки «сжимает» пар в пузырьке, причем тем сильнее, чем меньше его радиус R.
Представление о порядке величин перепада давления Др и абсолютного давления пара р„ внутри пузырька для воды при неизменном внешнем давлении рж = 1,0-10' Па дает табл. 4-1, рассчитанная по уравнению (4-3).

Наблюдения, проведенные с применением скоростной киносъемки, показывают, что при фиксированном режиме кипения частота образования паровых пузырьков оказывается неодинаковой как в различных точках поверхности, так и во времени. Это придает процессу кипения сложный статистический характер. Соответственно скорости роста и отрывные размеры различных пузырьков также характеризуются случайными отклонениями около некоторых средних величин.
На рис. 4-6 приведены опытные данные, которые показывают изменение радиуса R различных пузырьков в зависимости от времени т при кипении воды на горизонтальной пластине при разных давлениях, полученные при помощи скоростной киносъемки (для каждого пузырька время отсчитывается от момента его появления). Линии, проведенные на этом графике, определяют примерные средние зависимости R от т при фиксированных режимах кипения. Эти зависимости имеют вид: R = CiVi, т. е. показывают, что размер пузырька растет в среднем пропорционально ух. При повышении давления скорость роста пузырьков заметно снижается. Результаты таких исследований для ряда жидкостей представлены на рис. 4-7 в виде зависимости средних величин RJV ат от параметра cp'&tlrp" [14, 321. Опытные данные при значениях ф'Д(/гр"<20 удовлетворительно описываются степенной зависимостью, которая приводит к уравнению
Последняя величина представляет собой динамическую реакцию, возникающую в жидкости вследствие быстрого роста пузырьков в размерах. Обычно эта сила препятствует отрыву пу-зырьков. Кроме того, характер развития и отрыва пузырьков
вЛИ не смачивает. Смачивающая способность жидкости характеризуется краевым углом 9, который образуется между стенкой и сво-5однои поверхностью жидкости. Чем больше G, тем хуже смачн-


верхность покрыта жирной пленкой. Примером жидкости может служить ртуть (О « 140°).
При кипении обычных жидкостей на металлических поверхностях нагрева средние отрывные диаметры пузырьков Ос при атмосферном давлении составляют примерно 1—2 мм. При увеличении давления значения D„ уменьшаются. На рис. 4-10 представлены значения D„ при кипении воды в большом объеме на горизонтальной поверхности [32, 119] в диапазоне давлений (0,2 :-100)¦ 106 Па. Качественно такие же зависимости были получены и для других жидкостей. Резкое увеличение D0 при снижении давления ниже атмосферного объясняется возрастанием влияния силы инерции, препятствующей отрыву пузырьков. Для процесса пузырькового кипения представляет интерес также величина средней частоты отрыва пузырьков от поверхности нагрева f. В табл. 4-2 приведены экспериментально измеренные значения {, D0 и произведения DJ при кипении ряда жидкостей на горизонтальной поверхности при атмосферном давлении [1I9J.
При увеличении температурного напора (или теплового по- ",'.',"," "ro-i'i "^"говиаон м"Ных"°ро-тока) постепенно начинает раз- верхиостях Иэ серебра (1)*КцШ (2)" виваться процесс слияния бронзы (3) и пермаллоя (4).
отдельных пузырьков с образованием больших вторичных пузырей и целых паровых «столбов». Около поверхности среднее объемное содержание пара возрастает до S0—80%. Однако, как показывают исследования, в очень тонком поверхностном слое у самой стенки по-прежнему преобладает жидкая фаза. Термическое сопротивление этого слоя в основном и определяет интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении. Эффективная толщина слоя по мере увеличения тепловой нагрузки снижается, что приводит к увеличению интенсивности теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи а при кипении принято относить к температурному напору At = tc—ts:
Все физические свойства в этой формуле следует выбирать по температуре насыщения.
Опыты показывают, что при вынужденном движении > закономерности теплоотдачи при развитом пузырьковом i подчиняются соотношениями (4-10) и (4-11). Это следует из рис. 4-14 и 4-16, на которых представлены также опытные данные при интенсивном кипении насыщенной и недогретой воды, движущейся в трубах и кольцевых каналах.
Интенсивность теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении практически не зависит от уровня сил тяжести. На рис. 4-17 по-
Жидкая пленка на этих участках начинает периодически пересыхать. В итоге эффективная доля поверхности, участвующая в процессе отвода теплоты, уменьшается. Развитие такого процесса зависит от характера циркуляции жидкости и пара вблизи поверхности нагрева и интенсивности отвода паровых объемов от самой поверхности. Определенное влияние оказывают также условия смачивания, шероховатость и другие характеристики по-
При кипении жидкости на горизонтальных трубах и плитах в условиях свободного движения (большого объема) скорость отвода пара от поверхности в основном определяется силой, вызываемой ускорением свободного падения. Значения дкр1 для этих условий могут рассчитываться по формуле [47]

3. Теплообмен при пленочном кипении. При пленочном режиме
шределяется термичесы
поверхности горизонтальных труб в условиях свободного я (в большом объеме) пар движется вдоль периметра трубы !Й образующей и по мере накопления периодически уда-3 форме отрывающихся пузырей. Паровая пленка имеет
толщину, и;л(с|мго즦.¦'.:> долями миллиметра, а носит ламинарный характер. Средние коэффициенты теплоотдачи составляют примерно 100-300 Вт/(мв-°С). Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах в большом объеме следует проводить по формуле

При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин течение пара в пленке обычно имеет турбулентный (вихревой) характер. Поверхность пленки испытывает волновые колебания, толщина пленки растет в направлении движения пара. Опыты показывают, что теплоотдача практически не зависит от высоты поверхности нагрева, а следовательно, и от расхода пара в пленке. В целом процесс оказывается во многом аналогичным свободной конвекции однофазной жидкости около вертикальных поверхностей. В данном случае подъемная сила, определяющая движение пара в пленке, определяется разностью плотностей жидкости и пара g (p'—р"). Расчет теплоотдачи в этом случае может проводиться по формуле [53]


Выражение для поправки к формуле Нуссельта, учитывающей развитие полнового течения, по [49] имеет вид:
e„«(Re/4)0-M, (4-23)
где Res — число Рейнольдса конденсатпой пленки.
отсутствует. По мере увеличения расхода жидкости в пленке (или числа Res пленки) волнообразование постепенно нарастает и значение е0 увеличивается. Например, при Res = 100 ё„ = 1,14; при Re^ = 400 е„ = 1,20; при Re( - 5600 в0 = 1,27.
Число Re для пленки в общем случае определяется соотноше-
Re = 4-jj-, (4-24)
где G — массовый расход жидкости в пленке, приходящийся на единицу длины поверхности по нормали к направлению течения жидкости, кг/(м-с).
В условиях конденсации пара массовый расход конденсата G в сечении х—h однозначно связан с тепловым потоком Q = qh, переданным стенке на участке Oh, уравнением теплового баланса (и). Поэтому при конденсации число Re может быть выражено через теплообменныс характеристики процесса
Res=4i5- = 4-^-. (4-25)
ГЦ ГЦ V '
С учетом поправки к„ на волновое течение расчетное соотношение для теплоотдачи при конденсации пара на поверхности вертикальных труб и плит имеет вид:
к = aw. ад, (4-26)
где aNft — коэффициент теплоотдачи, определяемый по формуле (4-18) при отнесении всех физических свойств к температуре насыщения t,; е„ — поправка на волновое течение, определяемая но формуле (4-23); е, — поправка, учитывающая зависимость физи-
1 Это соотношение следует из общего определения числа Re через эквивалентный диаметр d3K: Re — pHj,rtSn/"- Для пленки d,n = 48. Согласно уравнению (ж) величина ри^гб = 4G.
146
ческнх свойств конденсата от температуры и определяемая по формуле (4-20).

Расчетные соотношения (4-22), (4-26) и (4-29) справедливы при конденсации чистого насыщенного пара и на чистой поверхности. Поэтому при определении значения коэффициента теплоотдачи по возможности необходимо учитывать ряд дополнительных обстоятельств, влияющих на теплоотдачу.
а. Влияние перегрева пара. Если температура стенки ниже температуры насыщения, то процесс конденсации перегретого пара протекает так же, как и насыщенного. Конечно, это не значит, что перегретый пар сразу становится насыщенным во всем объеме; насыщенным пар становится лишь у стенки по мере его охлаждения, а вдали от стенки он может и будет оставаться перегретым.
151
При конденсации перегретого пара необходимо учитывать теплоту перегрева q"a = С— U. Дж/кг, и вместо теплоты фазового перехода г в расчетную формулу жгхт.чплять пнлчепие г' = г + q , где I* и i"j — энтальпии перегретого и насыщенного пара соответственно. За разность температур при этом по-прежнему принимается At = t,—te.
Рис. 4-32. Характер из- Рис. 4-33. Зависимость относи-
менения парциальных дав- тельного коэффициента тсплоог-
лсний пара и воздуха, аачи or концентрации воздуха а также температуры пара. в паре.
верхность шероховата или покрыта слоем окисла, то вследствие дополнительного сопротивления течению толщина пленки увеличивается, а коэффициент теплоотдачи при этом снижается. Здесь большое влияние оказывает также термическое сопротивление окисной пленки на поверхности.
в. Влияние содержания в паре неконденсирующихся газов. При наличии в паре воздуха или других неконденсирующихся газов теплоотдача при конденсации сильно снижается. Это происходит потому, что на холодной стенке конденсируется только пар, а воздух остается. При отсутствии конвекции с течениеv Tspevr-пч тюзду.ч 1'к;шл5!пается около стенки и оказывает значительное препятствие продвижению пара к стенке.
В самом деле, на основании закона Дальтона общее давление смеси рв составляется из парциальных давлений пара рп и воздуха ps, т. е. ра = рп + р„. Вследствие конденсации пара рп у стенки меньше, чем в остальном объеме. Поэтому в направлении к стенке ра непрерывно падает, и чем ближе к стенке, тем быстрее, а р„,
153
наоборот, возрастает (рис. 4-32). Следовательно, у стенки получается зона с повышенным содержанием воздуха, через которую молекулы пара проникают лишь путем диффузии. Следствием этого является снижение температурного напора, tt—tc, так как из-за уменьшения парциального давления пара у поверхности пленки температура насыщения t, всегда ниже температуры насыщения при давлении р„.
Опытная кривая изменения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от концентрации позлу.ча в паре но данным [201 приведена на рис. 4-33. Здесь по оси абсцисс нанесено значение массовой концентрации воздуха в паре к = mjmn %, а по оси ординат—отношение o-Ja, где тъ — масса воздуха, кг; тп — масса пара, кг, содержащиеся в единице объема смеси. Коэффициент теплоотдачи ав отнесен к разности температур fn—fc, где tn — температура паровоздушной сгаеси вдали от поверхности, °С. Опыты проводились на горизонтальных трубах. Как видно из рисунка, при содержании в паре даже 1% воздуха коэффициент теплоотдачи снижается на 60%. При работе промышленных конденсаторов воздух непрерывно отсасывается, хотя здесь вследствие хорошего перемешивания наличие воздуха сказывается меньше,
ЧеНИя пара. Приведенные выше зависимости справедливы для неподвижного пара или когда скорость его течения мала. При значительных скоростях поток пара оказывает динамическое воздействие на конденсатную пленку. Если движение пара совпадает с направлением течения пленки, поток пара ускоряет движение конденсата в пленке, ее толщина уменьшается, и коэффициент теплоотдачи возрастает. При движении пара снизу вверх, т. е, в обратном направлении, течение пленки тормозится, толщина ее увеличивается, а коэффициент теплоотдачи уменьшаете я. ^Однако такое явление происходит лишь до тех пор, пока динамическое воздействие пара не превысит силу тяжести. После этого пленка пара увлекается вверх и частично срывается с поверхности. При этом с увеличением скорости ищу.: коэффициент теплоотдачи вновь растет.
г р е в а. При проектировании конденсационных устройств большое внимание должно уделяться правильной компоновке поверхности нагрева. Теплоотдача на горизонтальных трубах имеет большую интенсивность, чем на вертикальных, так как в первом случае толщина пленки конденсата меньше. О.-нако это справедливо лишь для одной трубки или для верхнего ряда в пучке. В многорядных пучках конденсат с верхних рядов стекает на нижние, поэтому и пленка здесь получается более толстой. Однако в реальных условиях конденсат стекает в виде отдельных капель или струйками, что вызывает одновременно значительные возмущения и даже тур-булизацню пленки. Кроме того, при конденсации пара на многорядном пучке необходимо учитывать влияние скорости движения
163
поступающего пара в зазорах между трубами, которая может изменять характер стекакия конденсата.
Для вертикальных труб коэффициент теплоотдачи книзу уменьшается вследствие утолщении пленки. В этом случае среднее значение теплоотдачи можно увеличить путем установки по высоте трубы конденсатоотводных колпачков (рис. 4-34), Установка таких колпачков через каждые 10 см па трубе высотой h = 3 м увеличивает среднее -значение коаффнипета теплоотдачи в 2—3 раза. Еще большее увеличение теплоотдачи получается при подаче пара в виде тонких струек, движущихся с большой скоростью. При ударе таких струек о стенку происходит разрушение пленки и разбрызгивание конденсата. По опытным данным (78] термическое сопротивление теплоотдачи при этом уменьшается в 3—10 раз. Последнее, конечно, в значительной мере зависит от диаметра струек, их количества, направления и скорости истечения. Имеются и другие средства интенсификации теплоотдачи. Однако эта задача е большинстве случаев не очень актуальна, так как при конденсации пара теплоотдача и так догт;:точно высока. Поэтому при проектировании конденсаторов большое внимание следует уделять профилактическим мерам против снижении теп-и вследствие, например, наличия воздуха, не-¦ отвода конденсата и подачи пара в аппарат, отложения на поверхности солей, масла и других загрязнений. Именно эти обстоятельства могут оказаться причиной неудовлетворительной работы конденсаторов.
. 4-34. Сяе
к труба
3. Теплоотдача при конденсации пара в трубах. Если в трубу с охлаждаемой поверхностью подводится пар, то по мере прохождения по трубе пар постепенно конденсируется и на стенках образуется пленка конденсата. При этом расход пара О" и его скорость ш" падают по длине трубы, а расход конденсата G' увеличивается. Основной особенностью процесса конденсации в трубах является наличие динамического взаимодействии между паровым и пленкой. На пленку конденсата действует также сила В итоге в зависимости от ориентации трубы в пространстве я рости пара характер движения конденсата может быть раз
В вертикальных трубах при движении пара сверху вниз силы тяжести и динамического воздействия парового потока совпадают по направлению и пленка конденсата стекает вниз. В коротких трубах при небольшой скорости парового потока течение пленки в основном определяется силой тяжести аналогично случаю конденса-1 пара на вертикальной стенке. Такой же оказы-шлоотдачи [311. При увеличении скорости
154
пара интенсивность теплоотдачи растет. Это объясняется уменьшением толщины конденсатной пленки, которая иод воздействием парового потока течет быстрее. В длинных трубах при больших скоростях движения пара картина процесса усложняется. 8 этих условиях наблюдаются частичный срыв жидкости с поверхности пленки и образование парожидкостной смеси в ядре потока. При этом влияние силы тяжести постепенно утрачивается, и закономерности процесса перестают зависеть от ориентации трубы в пространстве.
В горизонтальных трубах при не очень больших скоростях парового потока взаимодействие сил тяжести и трения пара о пленку приводит к иной картине течения. Под влиянием силы тяжести пленка конденсата стекает по внутренней поверхности трубы вниз. Здесь конденсат накапливается и образует ручей. На это движение накладывается движение конденсата в продольном направлении под воздействием парового потока. В итоге интенсивность теплоотдачи оказывается переменной по окружности трубы: в верхней части более высокая, чем в нижней. Из-за затопления нижней части сечения горизонтальной трубы конденсатом средняя интенсивность теплоотдачи при небольших скоростях пара может оказываться даже более низкой, чем при конденсации неподвижного пара снаружи горизонтальной трубы того же диаметра [48].
При конденсации в трубах различают режимы полной и частичной конденсации пара. В первом случае весь поступающий в трубу пар конденсируется целиком, и на выходе из трубы движется сплошной поток конденсата. При частичной конденсации на выходе из трубы течет парожидкостная смесь.
Поскольку полный расход пара и конденсата G по длине трубы не изменяется, уравнение материального баланса для любого поперечного сечения трубы имеет вид:
G" + G' = G = const.
Отношение расхода пара С", проходящего через данное сечение трубы, к полному р.чеходу G нн.чыпг-ют расходным массовым па-росодержанием двухфазного потока в этом сечении; его принято оГ)гу!н;!чг:т!. символом х:
х = G"IG.
Так, если на вход в трубу поступает насыщенный пар, то во входном сечении расходное массовое паросодержание равно единице (xL = 1). При подаче в трубу влажного пара расходное массовое паросодержание на входе меньше единицы (v,0.
Уравнение теплового баланса для элемента трубы длиной dt имеет следующий вид:

Зависимость (4-34) подтверждается также опытными данными других исследователей.
При более низких тепловых потоках, когда на характер движении конденсатной пленки оказывает влияние также сила тяжести, закономерности теплоотдачи для вертикальных и горизонтальных труб носят более сложный характер. Такие исследования описаны, в частности, в [12, 31].
4. Теплоотдача при капельной конденсации пара. Если конденсат не смачивает поверхность охлаждения, то конденсация пара приобретает капельный характер. На поверхности образуются и растут отдельные капли конденсата. Скоростная киносъемка показывает, что рост возникающих капелек в начальный период идет с очень высокой скоростью. Затем по мере увеличения размера капель скорость их роста постепенно снижается. При этом одновременно наблюдается непрерывно идущий процесс взаимного слияния капель. В итоге, когда отдельные капли достигают размера примерно одного или нескольких миллиметров, они скатываются с поверхности под влиянием силы тяжести. Общая плотность капель на поверхности конденсации увеличивается по мере возрастания температурного напора Д( = ts—(с. Наблюдения показывают, что при малых At капельки конденсата зарождаются в основном на разного рода микроуглублениях и других элементах неоднородности поверхности (причем в первую очередь на тех, для которых локальные условия смачивания и работа адгезии имеют повышенное значение). При увеличении At на поверхности конденсации может возникать, кроме того, очень тонкая (около 1 мкм и менее) неустойчивая жидкостная пленка. Она непрерывно разрывается, стягиваясь во все новые капельки, и восстанавливается вновь. При этом число капель на поверхности резко увеличивается.
Зависимость коэффициента теплоотдачи ее при капельной конденсации водяного пара от температурного напора At приведена на рис. 4-3G. Этот график получен 130! в результате анализа и обобщения опытных данных. Следует обратить внимание на то, что коэффициенты теплоотдачи при капельной конденсации имеют очень высокие значения. Зависимости, приведенные на рис. 4-36, могут быть рекомендованы для практических расчетов.
При капельной конденсации пара на поверхности пучка горизонтальных труб скатывание капель с трубы на трубу, как показывают опытные данные, приводит к некоторому снижению интенсивности теплоотдачи. Однако это снижение обычно не превышает 10— 15%. Опыты показывают также, что из-за очень высокой интенсивности теплоотдача при капельной конденсации весьма чувствительна даже к ничтожным примесям в паре неконденсирующихся газов (воздуха). Этот вопрос пока еще исследован недостаточно. 158
Пример 4-5. Определить коэффициент теплоотдачи при конденсации водного пара атмосферного давления на поверхности горизонтальной труби наметром D = 1G мм, если температуря попервости груби (с = 80"С.