5.5. Теплоотдача при конденсации

Конденсация происходит при соприкосновении насыщенного пара с по­верхностью, температура которой ниже температуры насыщения. Если температура поверхности превышает температуру насыщения, то ника­кой конденсации не происходит, даже несмотря на перегрев пара. Обыч­но конденсат смачивает поверхность и образует на ней жидкую пленку,

112

которая называется пленкой конденсата. Таким образом, образовав­шийся конденсат вследствие теплоотдачи с поверхности может быть до некоторой степени переохлажденным и инициировать дополнитель­ную конденсацию пара на границе раздела конденсат—пар. Под(Тзлня-нием гравитационных сил конденсат стекает вниз. Вначале пототчла-минарнын, и скрытая теплота конденсата передается охлаждающей поверхности теплопроводностью через пленку. Теплоотдача в значи­тельной степени определяется толщиной пленки, которая, в свою оче­редь, зависит от интенсивности конденсации пара и от скорости отвода конденсата. Поэтому при идентичных условиях теплоотдача верти­кальной поверхности более высокая, чем наклонной. При дви­жении мощного потока пара в том же направлении, что и движение по­тока конденсата, наблюдается уменьшение толщины пленки и тепло­отдача возрастает.

Когда толщина пленки достигает определенного критического значения, ламинарный поток переходит в турбулентный. В тур­булентном потоке тепло распространяется не только посредством теплопроводности, но и за счет вихре-диффузионных процессов, ко­торые способствуют лучшему перемешиванию жидкого конденсата и увеличивают коэффициент теплоотдачи.

Турбулентный режим течения редко возникает на горизонтальных трубах, но может устанавливаться на нижних участках вертикаль­ных поверхностей.

При капельной конденсации конденсат не смачивает всю поверх­ность. Капельки формируются на центрах конденсации. Они увеличи­ваются до тех пор, пока под действием гравитационных или других сил не оторвутся от поверхности и не стекут по ней. Благодаря тому обстоятельству, что значительная часть поверхности не покрывается изолирующей пленкой, может быть достигнута очень высокая теплоот­дача.

Практически пока не существует материала, обладающего благо­приятным сочетанием механических, химических и физических свойств, которые способствовали бы возникновению капельной конденсации. Поэтому необходимо специально обрабатывать поверхность охлажде­ния тонким слоем вещества для инициирования формирования капе­лек. Это вещество, которое должно иметь чрезвычайно низкую смачи­ваемость жидкостью и высокую смачиваемость с твердым телом, назы­вают каплеобразователем (промотор каплеобразования).

Если бы можно было использовать капельную конденсацию в те­чение продолжительного времени, то это позволило бы значительно сэкономить в массе конструкционных узлов холодильных установок п теплообменных аппаратов. Поэтому в последние годы изучению про­цесса капельной конденсации уделяется огромное внимание. Предло­жены различные теории для объяснения механизма этого явления, од­нако все они еще далеки от совершенства и не могут быть использова­ны для определения коэффициента теплоотдачи. Изложение этих во­просов приведено в работах [5.28, 5.29].

В табл. 5.4 представлены только хорошо проверенные формулы для расчета пленочной конденсации.

113

Формулы для расчета теплоотдачи при конденсации

Формулы:

<7з = « ('нас — <ст) Вт/м²; г4и = аХ/Хук. нас-

Обозначения:

^тр — площадь поверхности горизонтальной трубы, м²; — площадь ребра, м²; \„ — коэффициент теплопроводности материала реб­ра, Вт/ (м- °С); се — среднее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/ (м²- °С);

Таблица 5. 4

0 — диаметр трубы, м; Ор — диаметр ребра, м;

1 — высота ребра, м;

Дг = (/_нас — 'ст) — разность температуры, °С;.] «тпар. "тж. нас—массовая скорость пара и жидкости соот­ветственно, кг/ (м²-с); б — толщина ребра, м; т) — эффективность оребрения. Остальные обозначения приведены в разд. 5.2. Значения свойств и другие данные берутся при температуре насыщения.

Система

Схематическое представление

Формулы

Дополнительные условия

Лите­ратура

Пленочная конденсация на вертикаль­ных поверхно­стях

Т

1. ■—

Х=1

№ = 0,943

Рж.нас (Рж.нас — Рпар) §

М-ж.нас ^ж-нас М 11/4

Х(г/_г+0,68с_Рж._нас М)

Значения свойств жидкости оцениваются при температуре г = /_ст + 0,31

У 2 / Рж.нас с»пар ^ У^/2

3 V М-ж-нас 2 + (1+Д)'^/2

X

[1₊₍₁₊₅)1/2]1/2

16#Л Цж.кас ?Н

^ ^ж.нап Д'

5 = -

пар

Ламинарный поток конденсата, Рг > 0,5; ^ср ж.нас ^1 р

Конденсат подвер гается воздейст­вию потока пара, движущегося вниз со скоростью о_пар

[5.21]

[5.22]

В " А

« 5г

о

₃ а, с

-г к

1.8 °

0)

е-*

и с1«

x

"ё

о =

и*

x

а.

м ^

а.

_л

и

О. со

о*

"аГ СгГ

о я

и

"аГ се в

с

к

а

x