Теплоотдача при конденсации

Конденсацией называется процесс перехода пара (газа) в жидкое или твёрдое состояние (переход в твёрдое состояние – десублимация – здесь рассматриваться не будет).

Конденсация имеет место во многих теплообменных аппаратах (например, в мазутоподогревателях на ТЭС), в опреснительных установках, технологических аппаратах (перегонные аппараты). Важнейшее применение на ТЭС – конденсаторы паровых турбин. В них конденсация происходит на охлаждаемых водой трубах. Для повышения КПД термодинамического цикла ТЭС важно снижать температуру конденсации (за счёт понижения давления), и обычно она близка к температуре охлаждающей воды (до 25÷30°С).

Конденсация – процесс, в определённом смысле обратный к кипению. Но здесь важнее проблемы повышения теплоотдачи, чтобы при малых температурных напорах обеспечить высокий отбор теплоты.

Виды конденсации

Конденсация может происходить в объёме (туман, дождь) и на охлаждаемой поверхности. В теплообменных аппаратах – конденсация на охлаждаемой поверхности. Её далее и будем рассматривать. Разумеется, при такой конденсации температура поверхности стенки должна быть меньше температуры насыщения , то есть . В свою очередь, конденсация на охлаждаемой поверхности может быть двух видов:

Плёночная конденсация – имеет место, когда жидкость смачивает поверхность (жидкость – смачивающая, поверхность – смачиваемая, эти свойства изучаются в курсе Физики), тогда конденсат образует сплошную плёнку.

Капельная конденсация – когда конденсат – несмачивающая жидкость и собирается на поверхности в капли, которые быстро стекают, оставляя почти всю поверхность чистой.

При плёночной конденсации теплоотдача намного меньше из-за термического сопротивления плёнки (плёнка мешает отводу тепла от пара к стенке). К сожалению, реализовать капельную конденсацию сложно – несмачиваемые материалы и покрытия (например, типа фторопласта) сами плохо проводят теплоту. А использование добавок – гидрофобизаторов (для воды типа масла, керосина) оказалось неэффективным. Поэтому обычно в теплообменных аппаратах имеет место пленочная конденсация. Гидрофобизатор, гидрофобность – от греческих “hydör” – “вода” и “phóbos” – страх. То есть гидрофобный – то же, что водоотталкивающий, несмачиваемый. Такие добавки для произвольных жидкостей называются лиофобизаторами.

Картина и особенности плёночной конденсации Конденсация неподвижного пара на вертикальной стенке

Термин “неподвижный пар” в данном случае подразумевает отсутствие существенного вынужденного движения (разумеется, свободно-конвективное движение будет иметь место).

На поверхности стенки образуется плёнка конденсата. Она стекает вниз, при этом её толщина растёт благодаря продолжающейся конденсации (рис. …). Из-за термического сопротивления плёнки температура стенки заметно меньше температуры поверхности плёнки , причём на этой поверхности имеется небольшой скачок температур конденсата и пара (для воды скачок обычно порядка 0,02–0,04 К). Температура пара в объёме несколько выше температуры насыщения (рис. …).

Сначала пленка движется стабильно ламинарно – это ламинарный режим. Затем на ней появляются волны (со сравнительно большим шагом, пробегающие по плёнке и собирающие накапливающийся конденсат, так как в более толстом слое в волне скорость движения больше, и такой режим стекания энергетически выгоднее установившегося). Это ламинарно-волновой режим. Далее при большом количестве конденсата режим может стать турбулентным (рис. …).