Практическая работа 4. Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации пара и кипения жидкости.

Различают два вида конденсации пара: пленочную и капельную. Капельную конденсацию наблюдают на шероховатой, маслянистой поверхности тела или когда поверхность слабо смачивается жидкостью. Пленочная конденсация имеет место, когда пар чистый и поверхность хорошо смачивается жидкостью. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара прямо пропорционален теплоте парообразования (r). Конденсация пара является интенсивным теплообменом, но если в паре содержится воздух, то теплообмен ухудшается. На теплообмен при конденсации пара влияют следующие факторы: перегрев пара, состояние поверхности, содержание несконденсированных газов в паре, скорость движения пара и т.п. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара α_х = λ_ж/δ.

Для кипения необходимо условие, чтобы t_ст˃ t_s и постоянный подвод теплоты к жидкости. Наиболее интенсивный теплообмен имеет место при пузырьковым кипении. В процессе кипения могут наблюдаться кризисные процессы: кризис первого рода – резкое снижение коэффициента теплоотдачи и переход от пузырькового кипения к пленочному кипению, кризис второго рода – повышение коэффициента теплоотдачи и переход от пленочного к пузырькового кипению.

Уравнение теплоотдачи при пузырьковом кипении:

  α_ср = С_*q^2/3, где коэффициент С учитывает влияние на кипение рода жидкости и состояние поверхности нагрева.

Для кипения воды используется следующая зависимость: α =(3,4_*p_s^0.18_*q^2/3) / (1-0,0045_*p_s)

В уравнение давление p_s подставляется в бар.

Порядок выполнения работы:

1. Знакомство с методикой определения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара в конденсаторе и кипении воды в котле. Перегретый пар, полученный в котле, поступает в конденсатор-теплообменник, в котором смонтирован змеевик для охлаждения воды. Давление пара в котле и в конденсаторе определяется по манометру. Температура воды и конденсата измеряется термометрами. Массу воды и конденсата. Используется схема установки «виртуальная лаборатория».

2. Измерить следующие значения величин: давление пара в котле (манометр М1), в конденсаторе (манометр М2), температуру насыщения (милливольтметр с переключателем выбора точек), температуру воды на входе и выходе из конденсатора (термометр), атмосферное давление (барометр).

3. Замеренные величины занести в таблицу.

Таблица - Результаты измерений и вычислений

Ратм	Рм1	ts	Рм2	Рабс1	Рабс2	t1	t2	mв	mк	tст
кгс/см2	кгс/см2	0С	кгс/см2	кгс/см2	кгс/см2	оС	оС	кг/с	кг/с	оС

Вычислить коэффициент теплоотдачи при конденсации пара:

4. Перевести атмосферное давление в Р_атм в кгс/см².

5. Абсолютное давление, кгс/см².

       Р_абс1= Р_м1+ Р_атм

       Р_абс2= Р_м2+ Р_атм

6. Размеры змеевика конденсатора принять: d= 8мм, ℓ=1,5 м.

7. Площадь теплопередающей поверхности, м²

       F=π _*d _*ℓ

8. Теплоемкость воды принять: С_р = 4,19 кДж/кг_*К

9. Тепловой поток при теплообмене в конденсаторе. кВт

       Q= С_р* m_в*(t₁- t₂)

10. Температура поверхности стенки: t_ст ˃ t₂ на (10-15)⁰С.

11. Коэффициент теплоотдачи при конденсации, Вт/м²град

       α₁ = Q/ [F_*(t_s- t_cт)]

 

Вычислить коэффициент теплоотдачи при кипении жидкости:

12. Определить по таблице теплоту парообразования r, по Р_абс1.

13. Плотность теплового потока

       q₂ = (m_к* r)/ F

14. Коэффициент теплоотдачи при кипении, Вт/м²град

α₂ =(3,4_*p_s^0.18_*q^2/3) / (1-0,0045_*p_s)

15. Сделать сравнительный вывод

Контрольные вопросы:

1. Приведите примеры практического использования процессов конденсации и кипения.

Пример: На тепловых электростанциях вода превращается в пар, который вращает турбину.
Отработанный пар, конденсируясь, используется для отопления домов.

Осушение воздуха (конденсация влаги на охлажденной поверхности).

2. Назовите условия для осуществления капельной конденсации.

Режим капельной конденсации возможен лишь в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения. Капельная конденсация может быть получена искусственно путем нанесения на теплообменную поверхность тонкого слоя масла, жира, нефтепродуктов. Теплообменная поверхность должна быть хорошо отполирована. Капельная конденсация для водяного пара — явление неустойчивое. Она отличается интенсивным теплообменом, который в 15-20 раз выше, чем при плёночной конденсации. Это объясняется тем, что пар контактирует непосредственно с теплообменной поверхностью, и между паром и стенкой нет дополнительного термического сопротивления.

3. Какие факторы влияют на интенсивность пленочной конденсации?

· Влияние перегрева пара: Конденсация перегретого пара будет иметь место, если температура поверхности стенки меньше температуры насыщения. Если же tc > tн, то конденсация отсутствует и с происходит конвективный тепло обмен однофазной жидкостью (паром) и стенкой.

· Влияние влажности пара: Влажность пара оказывает отрицательное влияние на интенсивность теплоотдачи при конденсации пара, т.к. влага, выпадая на стенку, утолщает конденсатную пленку.

· Влияние состояния поверхности: При конденсации на шероховатых или окисленных поверхностях коэффициент теплоотдачи уменьшается, т.к. из-за сопротивления течению увеличивается толщина пленки конденсата. Кроме того, окисные пленки создают дополнительное термическое сопротивление ввиду их очень низкого коэффициента теплопроводности.

· Влияние содержания неконденсирующихся газов: При конденсации пара из парогазовой смеси у поверхности раздела фаз образуется слой, обогащенный газом (воздухом), что препятствует поступлению пара к поверхности раздела фаз. При конденсации из парогазовой смеси уменьшается величина температурного напора по сравнению с конденсацией чистого пара.

· Влияние скорости и направления течения пара.

· Влияние компоновки поверхности нагрева

 

4. Что называется кипением? Какой это термодинамический процесс?

 

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости.

Кипение –это обратимый процесс термодинамики.

 

5. Назовите условия для осуществления процесса кипения.

Для кипения требуется определенная температура при определенном давлении, при постоянной подаче теплоты.

 

6. Дайте определения видам кипения.

Различают кипение жидкостей на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образования паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла.