14.2.3. Теплоотдача при плёночной конденсации

Обычно в теплообменных аппаратах наблюдается плёночная конденсация, и пар контактирует уже не с теплообменной поверхностью, а с плёнкой конденсата, которая представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем ниже теплоотдача. При конденсации пара на вертикальных трубах (или на вертикальной стенке) в верхней части трубы наблюдается ламинарное течение плёнки конденсата. По мере стекания плёнки вниз увеличивается скорость движения, начинается турбулентное течение плёнки, но при этом увеличивается её толщина.

Теоретическое решение теплоотдачи при плёночной конденсации предложил Нуссельт. При этом он ввел следующие упрощающие предпосылки:

1. течение плёнки имеет ламинарный характер;

2. силы инерции, возникающие в плёнке, пренебрежимо малы по сравнению с силами вязкости;

3. конвективный перенос тепла поперек течения пленки отсутствует;

4. теплопроводность вдоль плёнки пренебрежимо мала по сравнению с теплопроводностью поперёк плёнки;

5. трение конденсата о пар отсутствует;

6. температура внешней поверхности плёнки равна t_s;

7. плотность, вязкость и теплопроводность конденсата — величины постоянные, не зависящие от температуры.

Как показали более поздние исследования, основные закономерности процесса конденсации теория Нуссельта отражает правильно.

С учетом уточнений П.Л. Капицы формулы, полученные Нуссельтом и описывающие теплоотдачу при конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах, имеют следующий вид.

Для вертикальной стенки или трубы

, (14.8)

где величины физических параметров _ж, _ж, _ж берутся при средней температуре плёнки .

Значения r берётся при t_s;

h — высота трубы (стенки), м.

Для горизонтальных труб

. (14.9)

Здесь d — диаметр трубы, м.

Расчетные формулы, полученные Нуссельтом, описывают процесс конденсации неподвижного пара. Движение пара осложняет процесс и может, как увеличивать, так и уменьшать интенсивность теплоотдачи. Если движение пара совпадает с направлением движения конденсата, поток пара ускоряет движение плёнки, ее толщина уменьшается, коэффициент теплоотдачи возрастает. При встречном движении пар тормозит течение конденсата, толщина плёнки возрастает, теплоотдача уменьшается. Однако при большой скорости пара происходит срыв части плёнки и теплоотдача вновь растет.

Рис. 14.5. Схема установки конденсатоотводных колпачков на вертикальных трубах

Кроме скорости движения пара на интенсивность конденсации влияют также состояние поверхности теплообмена и наличие в паре неконденсирующихся газов.

На трубах с шероховатостью (или ржавчиной) из-за дополнительного сопротивления течению плёнки ее толщина увеличивается, коэффициент теплоотдачи при этом может снизиться на 30 %.

Наличие в паре воздуха или других неконденсирующихся (в данных условиях) газов резко снижает теплоотдачу. Например, наличие в паре 1% воздуха снижает теплоотдачу на 60%. Это происходит, потому что воздух (или другой газ), подходя к поверхности и не конденсируясь, накапливается и остается у поверхности тонким слоем, через который молекулы пара вынуждены проникать путем диффузии.

При проектировании конденсационных устройств большое внимание уделяется компоновке поверхности охлаждения. Для вертикальных труб коэффициент теплоотдачи к низу значительно уменьшается из-за возрастания толщины плёнки. Поэтому вертикально расположенные трубы обычно снабжаются специальными конденсатоотводными колпачками через каждые 10-15 см, что увеличивает среднее значение коэффициента теплоотдачи в 2-5 раз.

При горизонтальной компоновке труб желательно, чтобы струйки конденсата с верхних труб попадали на боковые поверхности нижележащих труб, сбивая с них плёнку конденсата.

Так как интенсивность теплоотдачи при конденсации достаточно высока, при проектировании конденсаторов следует уделить особое внимание профилактическим мерам предотвращения снижения теплоотдачи из-за наличия воздуха в системе, и загрязнений теплообменной поверхности.