Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ТЕПЛО- И МАССООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ

Не останавливаясь на общих вопросах конденсации, которые детально изложены в литературе, обратимся к специфике процессов конденсации в тепловых трубах. Наибольший интерес применительно к тепловым трубам могут представлять следующие вопросы:

1) происходит ли теплоотвод на всей поверхности фитиля или лишь на поверхности менисков жидкости;

2) какова в процессе теплообмена при конденсации роль термического сопротивления фазового перехода;

3) какое влияние в процессе тепло- и массообмена при конденсации оказывают неконденсирующиеся газы;

4) какое влияние на тепло- и массообмен при конденсации оказывает многокомпонентность теплоносителя.

Рассмотрим каждый из поставленных вопросов.

Размер поверхности теплообмена при конденсации. Зачастую мокрая точка в тепловой трубе располагается либо в конце конденсаторной зоны, либо в средней ее части, и тогда часть поверхности фитиля может оказаться не закрытой менисками жидкости. Поскольку в тепловых трубах для фитилей используются смачиваемые материалы, то, согласно теории зарождения новой фазы, на обращенной в паровое пространство поверхности фитиля для образования жидкости практически не требуется переохлаждения и на ней образуется слой жидкости, из которого под действием капиллярных и других сил жидкость стекает в поры фитиля. В тонких слоях движение может осуществляться под действием расклинивающего давления. Однако, по-видимому, в большинстве случаев транспортировка конденсата с поверхности фитиля происходит за счет капиллярных и гравитационных эффектов, а также за счет трения о пар.

Термическое сопротивление фазового перехода при конденсации. Сразу отметим, что для низкотемпературных жидкостей термическое сопротивление фазового перехода, как правило, ничтожно мало и его можно не учитывать. Для тепловых труб с жидкометаллическими теплоносителями оно может быть заметным лишь при низких давлениях пара. Это сопротивление следует учитывать для тепловых труб в пусковых режимах, а также для паровых камер, если они работают при пониженных давлениях пара.

Как уже указывалось в § 3.1, для осуществления видимого процесса фазового перехода необходимо, чтобы условия равновесия между паровой и жидкой фазами были нарушены. При конденсации необходимо, чтобы температура насыщения пара была выше температуры поверхности жидкости. В тепловых расчетах удобно имеющийся при этом скачок температуры на границе пар—жидкость связать с понятиями термического сопротивления или коэффициента теплоотдачи при фазовом переходе и определить их как


Массовый поток вещества в формуле (3 12) может быть вычислен при использовании зависимостей (3.1), (3.2), если известен коэффициент конденсации. Отметим, что при малой интенсивности фазового перехода аф не зависит от удельного теплового потока.

Авторами проведены непосредственные измерения скачков температуры на границе раздела фаз для конденсации с постоянно обновляющейся поверхностью раздела [9] . С помощью подвижных термопар измерялось распределение температур в паровой области, в конденсате, наполнявшем ванночку-—-конденсатор, и в стенке конденсатора. При этом могли быть определены как теплоотдача на границе раздела фаз пар—жидкость, так и контактные сопротивления на границе раздела жидкий металл—твердая стенка из нержавеющей стали. Примеры измеренных распределений температур даны на рис. 3.18. Поскольку при повышенных температурах значения коэффициента теплоотдачи аф возрастают и точность их измерений уменьшается, помимо опытов с подвижной термопарой авторами были проведены также опыты по измерению теплоотдачи при конденсации натрия на вертикальной стенке. Высокая точность измерений обеспечивалась, в частности, заделкой термопар в медную, покрытую тонким слоем стали стенку конденсатора.

При отсутствии примесей в конденсате контактного сопротивления для натрия и калия, находящихся у стальной стенки, не обнаружено. Коэффициенты теплоотдачи при фазовом переходе в условиях тщательной очистки паров от неконденсирующихся газов соответствовали расчетным газокинетическим соотношениям при коэффициенте конденсации, близком к единице (рис. 3.19). При давлениях пара выше 0,1 атм значения коэффициентов теплоотдачи столь велики, что точное определение их становится затруднительным и теряет практический интерес. Это подтвердили опыты по конденсации быстро движущегося калия в трубах.


В экспериментах на ртути [9] имелась возможность сток жидкости осуществлять не с краев ванночки, а со дна, т. е. прекращать обновление поверхности. В этом случае, как показали визуальные наблюдения, на свободной поверхности жидкого металла накапливались загрязнения — происходил» помутнение зеркально чистой поверхности ртути. Измерения аф указывали на постепенное уменьшение коэффициента конденсации. Загрязнения состояли, по-видимому, из неблагородных металлов, растворимых в ртути, и их окислов. При испарении ртути вместе с ее атомами в паровую фазу уносятся атомы неблагородных металлов (никеля, железа и др.) из адсорбированного на поверхности ртути слоя. Окисление неблагородных металлов происходит в паровой фазе и на поверхности конденсата в результате взаимодействия с кислородом воздуха, следы которого могут быть в ртутном паре. Известно, что

дистилляция ртути в присутствии воздуха наиболее эффективна для уменьшения содержания неблагородных металлов [73].

Увеличение термического сопротивления фазового перехода вследствие накопления поверхностных загрязнений в жидкости, по-видимому, может наблюдаться и в ртутных тепловых трубах или паровых камерах, однако их влияние сказывается лишь при весьма низких давлениях пара. Щелочные металлы не способны образовывать на своей поверхности пленку из окисленных инородных металлов, и для них не следует ожидать подобных эффектов.


К существенному снижению интенсивности теплообмена при конденсации приводит попадание в паровое пространства трубы неконденсирующихся газов.

Тепло- и массообмен при конденсации в присутствии неконденсирующихся газов. При наличии неконденсирующихся газов в паровом пространстве тепловой трубы, чтобы найти распределение газа в ней и изменение коэффициентов теплопередачи, необходимо привлечь известное уравнение диффузии:



Применительно к тепловым трубам обычно приходится решать двумерную диффузионную задачу, причем в ряде случаев (чаще для низкотемпературных тепловых труб) эта задача является сопряженной — при переносе тепла необходимо учитывать также влияние теплопроводности стенки тепловой трубы.

Для тепловых труб с большим удельным теплопереносом вследствие того, что медленно протекающие диффузионные процессы не могут конкурировать с интенсивным конвективным переносом массы, обычно весь газ концентрируется в концевой части конденсаторной зоны трубы, образуя газовую пробку в месте нахождения которой, если нет добавочного обогрева наблюдается резкий спад температуры. Если же скорости продольно обтекающего потока пара малы, а зона наиболее интенсивного теплоотвода расположена не в конце трубы, то возможно и «зависание» газа в этой зоне с образованием значительного диффузионного сопротивления в процессе тепло- и массопереноса при конденсации.


Тепло- и массообмен при конденсации многокомпонентных теплоносителей. Уравнения диффузии (3.13) и (3.14) справедливы и тогда, когда описывается процесс конденсации многокомпонентных смесей. У поверхности конденсации также формируется диффузионный слой, в котором имеет место изменение парциальных давлений компонент, и парциальное давление низкокипящего теплоносителя возрастает по мере приближения к поверхности теплоотвода. Однако в отличие от случаев с неконденсирующимся газом, когда поверхность раздела фаз непроницаема для этого компонента смеси, для смеси конденсирующихся паров поверхность раздела проницаема для всех компонентов.

Для одномерной задачи распределение высококипящего компонента в диффузном слое подчиняется соотношению


Диффузионное сопротивление, вернее, перепад температур» насыщения в многокомпонентном диффузионном слое з отличие от случая с неконденсирующимся газом не может расти беспредельно. Предельное значение этого перепада температуры может быть найдено при использовании диаграммы температура—состав Для заданного давления смеси. На рис. 3.21 для примера представлена такая диаграмма для бинарной смеси. При подаче в конденсатор пара с мольным соотношением компонентов N максимальный перепад температуры насыщения не может превышать А7иф . В замкнутых системах, какими являются тепловые трубы, возможно большее или меньшее разделение компонентов по длине трубы.

Ивановский М. Н., Сорокин В. П., Ягодкин И. В. Физические основы тепловых труб.—М.: Атомиздат, 1978

Экспертиза

на главную