5.2. Теплообмін при конденсації пари

Конденсація являє собою процес переходу пари (газу) в рідкий чи твердий стан (фазовий перехід першого роду).

Процес конденсації можливий тільки при докритичних станах пари (газу) і може бути здійснений шляхом його охолодження або в результаті такого стиснення, щоб при досягнутих значеннях температури і тиску конденсована фаза була термодинамічно більш стійкою, чим газоподібна. Якщо при цьому температура і тиск більше їх значень, відповідних третій точці для даної речовини, то утворюється рідка конденсована фаза, якщо менше – пар переходить у твердий стан.

Конденсація насиченої чи перегрітої пари на твердій поверхні тепловіддачі відбувається, якщо температура поверхні менша, ніж температура насичення при даному тиску.

При конденсації пари на незмоченій поверхні утворюються краплі конденсату, у той час як у випадку змочених поверхонь конденсат стікає у вигляді рідкої плівки. Розглянемо останній випадок, який має найбільше практичне значення. З утворенням плівки конденсату пар конденсується на її поверхні і тепло передається через цю плівку. Тому плівка конденсату, яка збільшується за рахунок конденсації пари, є основним термічним опором. Процес тепловіддачі у плівці суттєво залежить від гідродинаміки її руху, тому визначальним розміром в критеріальних рівняннях є висота для вертикальних поверхонь і діаметр для горизонтальних труб. Коефіцієнт  може бути знайдений за наступними критеріальними рівняннями:

а) для вертикальних поверхонь і труб

(141)

(142)

б) для конденсації на горизонтальних трубах

(143)

де критерій фазового переходу , тобто його можна розглядати як міру відношення теплового потоку, затраченого на фазове перетворення, до теплоти перегріву чи переохолодження фази при її насиченні, r - теплота конденсації, t_н - температура насиченої пари. Теплофізичні властивості (крім r) вибираються для конденсату за визначаючою температурою t_k, рівною: .

3. БВУ. Матеріальний та тепловий баланси.

2.3.2. Матеріальний баланс

Рисунок 2.4. До складання матеріального балансу БВУ

1-3 – корпуси;

4 – барометричний конденсатор;

5 – вловлювач;

6 – насос.

За аналогією з матеріальним балансом для однокорпусної випарної установки складаємо матеріальний баланс для БВУ, відповідно до якого загальна кількість води W, що випарюється у всіх корпусах, складає

, (23)

де G_н і в_н - витрата і концентрація початкового розчину;

в_п - концентрація упареного розчину, що видаляється з останнього корпуса.

Виходячи з рівнянь для однокорпусної установки, можна визначити концентрації розчину на виході з кожного корпуса БВУ (індекси 1, 2, 3, . . . , n відповідають порядковому номеру корпуса).

(24)

(25)

(26)

(27)

2.3.3. Тепловий баланс

Розглянемо тепловий баланс три корпусної вакуум-випарної прямотечійної установки, перший корпус якої обігрівається свіжою насиченою водяною парою (рис. 4.).

Витрати свіжої (первинної) пари D₁ (кг/сек), його ентальпія I_г1 і температура ₁C.

Після першого корпуса відбирається Е₁ (кг/сек) і після другого корпуса Е₂ (кг/сек) екстра-пари. Відповідно витрати вторинної пари з першого корпуса, що направляється як гріюча у другий корпус, складає (W₁ - E₁) кг/сек і вторинної пари з другого корпуса, гріючої третій корпус (W₂ - E₂) кг/сек, де W₁ , W₂ - кількості води, що випарюється в I і II корпусах відповідно.

Рівняння теплових балансів корпусів:

I корпус

(28)

II корпус

(29)

III корпус

(30)

де с'₁; с'₂; с'₃ - питомі теплоємності парового конденсату при температурах конденсації ₁; ₂; ₃ відповідно;

c₁; c₂; c₃ - питомі теплоємності розчину по корпусах (при середній температурі розчину в кожнім корпусі);

с''₁; с''₂; с''₃ - питомі теплоємності води при температурі t_k1; t_k2; t_k3;

t₀; t_k1; t_k2; t_k3 - температура початкового розчину і температура кипіння розчину по корпусах;

Q_конц1; Q_конц2; Q_конц3 - теплоти концентрування розчину по корпусах;

Q_п1; Q_п2; Q_п3 - утрати тепла в навколишнє середовище по корпусах.

Утрати тепла в навколишнє середовище приймають рівним 3..5% від Q₁, Q₂, Q₃ відповідно.

У вакуум-випарній установці з паралельним рухом гріючої пари і розчину в наслідок самовипару останнього члени теплового балансу, що виражають витрату тепла на нагрівання розчину до температури кипіння в даному корпусі, у всіх корпусах (крім першого) будуть мати негативне значення.

Зокрема, для трьохкорпусної випарної установки:

t_k2<t_k1 і t_k3<t_k2 ,

Для рішення системи рівнянь, які ми розглянули вище, їх доповнюють рівнянням матеріального балансу по воді, що випарюється, яке має вигляд

W=W₁+W₂+W₃ , (31)

де W - загальна кількість води, що випарюється в установці, визначена з рівняння матеріального балансу.

З рівнянь теплового балансу визначають витрати гріючої пари і теплові навантаження корпусів.