Поверхнева плівкова конденсація пари

Механізм процесу плівкової конденсації. Розрізняють наступні стадії:

1. Дифузія молекул пари з ядра до холодної поверхні конденсації. Дифузія відбувається за рахунок різниці концентрації молекул пари в ядрі холодної стінки;

2. Сам процес конденсації з виділенням прихованої теплоти конденсації за рахунок втрати швидкості молекулами, які прилипли до створеної стінки конденсату;

3. Переніс прихованої теплоти конденсації через плівки конденсату до холодної стінки.

Припустимо, що плівка конденсату рухається або спадає в ламінарному режимі. При цьому через товщину плівки тепло передається за рахунок теплопровідності, а в насиченій парі за рахунок тепловіддачі. Тоді густина теплового потоку:

,

де - товщина плівки конденсату на координаті х, t_н і t_ст – температури насиченої пари та стінки. Звідки

Т обто чим більша товщина плівки конденсату, тим менша тепловіддача.

Графічно ця залежність матиме вигляд:

Розрахункова формула для визначення товщини плівки конденсату

Використаємо рівняння енергії і рівняння руху в’язкої рідини (Нав'є-Стокса) для одномірного випадку з врахуванням наступних припущень:

1) сили інерції малі в порівняння з силами в’язкості і тяжіння;

2) конвективний перенос теплоти в плівці вздовж стікання не враховується (по координаті х);

3) тертя на границі парової та рідкої фаз відсутнє;

4) фізичні параметри конденсату не залежить від температури;

5) густина пари мала в порівнянні з густиною конденсату.

Тоді із врахуванням вищенаведених припущень маємо систему рівнянь:

Товщина плівки конденсату буде залежати від кількості утвореного конденсату або видатку конденсату в перерізі потоку, кількість конденсату, що протікає через поперечний переріз в одиницю часу при ширині рівній 1 м, дорівнює:

,

де 1 – ширина, – середня швидкість руху рідини.

Знайдемо середнє значення швидкості, інтегруючи рівняння руху:

Отже:

Цей приріст товщини плівки конденсату виникає в результаті конденсації на ділянці довжиною dx і шириною 1 м. Якщо прийняти, що теплота, яка віддається стінці, це теплота фазового переходу, то тоді:

,

де – це кількість конденсату на одиницю поверхні за одиницю часу.

Прирівнюючи по dG:

де - не змінюється по х - координаті. Це рівняння для визначення локального коефіцієнту тепловіддачі.

Методи усереднення локального коефіцієнту тепловіддачі дають наближений результат.

І тоді середній коефіцієнт тепловіддачі:

- для вертикальної стінки.

Для горизонтальної стінки:

,

де d_з – зовнішній діаметр труби.

Nu=f(Ga,Pr,K),

де К – критерій фазового переходу (Кутателадзе).

Nu=0,943(Gr Pr K)^0,25,

Якщо Gr Pr K<10¹⁵, то тоді Nu=1,15(Gr Pr K)^0,25.

Якщо Gr Pr K>10¹⁵, то тоді Nu=0,0646(Gr Pr K)^0,35.

Для горизонтальної поверхні: Nu=0,728(Gr Pr K)^0,25.

Фактори конденсації

1. Вплив фізичних властивостей конденсату і геометричних розмірів поверхні.

2. Чим більше питома теплота конденсації r, тим більше теплової енергії буде віддано.

3. Чим більша густина конденсату, тим швидше буде стікати його плівка і тим менший буде термічний опір.

4. Із r коефіцієнт теплопровідності λ також зменшується термічний опір і зростає коефіцієнт тепловіддачі.

5. Із підвищенням в’язкості плівки µ, коефіцієнт тепловіддачі α знижується , тому що більш в’язка рідина стікає повільніше, зростає її товщина і зменшується турбулентність.

6. Зі збільшенням висоти поверхні Н зростає товщина плівки і тепловіддача погіршується.

7. Збільшення температурного напору також знижується α внаслідок збільшення товщини плівки, але загальна кількість теплоти q залежить від в 1-й системі, а коефіцієнт тепловіддачі α залежить від .

Кипіння

Кипіння – це процес пароутворення у всьому об’ємі. Для кипіння необхідно підводити теплоту, це так звана теплота пароутворення.

Кипіння буває поверхневим та об'ємним. Поверхневе кипіння – це тоді, коли на граючій поверхні виникають окремі центри пароутворення. Об’ємне кипіння – це тоді, коли бульбашки пари генеруються у всьому об’ємі, це можливе тільки при різкому знижені тиску.

Види поверхневого кипіння:

1) бульбашкове кипіння (ядерне), коли бульбашки генеруються на граючій поверхні;

2) плівкове кипіння, коли кількість центрів пароутворення зростає на стільки, вони зливаються між собою і тоді між рідиною і гріючою поверхнею з’являється шар перегрітої пари (рідина знаходиться на паровій подушці).

Перехід від бульбашкового кипіння до плівкового називається кризою кипіння, а температура при якій це відбувається називається критичною.

Для всіх рідин, що киплять залежність густини теплового потоку і коефіцієнту тепловіддачі від різниці температур між стінкою та рідиною має приблизно однаковий характер:

α

Де .

1 – це ділянка мало інтенсивного кипіння рідини, .

2 – це ділянка бульбашкового (ядерного) режиму кипіння, це інтенсивний режим, який використовується в промисловості.

3 – це ділянка кризи кипіння при цьому інтенсивність тепловіддачі падає.

4 – це ділянка інтенсивного плівкового режиму кипіння.

Ядерний режим кипіння один із самих інтенсивних режимів кипіння. Процес складається із віддачі теплоти рідині стінкою. І з передачі теплоти внутрішньої поверхні бульбашки в вигляді теплоти випаровування. Кожна бульбашка при кипінні відіграє роль насосу, який підтягує холодну рідину до гріючої поверхні, і виштовхує перегріту рідину.

При бульбашковому кипінні в умовах вільної конвекції коефіцієнт тепловіддачі можна виразити:

, де ,

де λ – коефіцієнт теплопровідності рідини, ρ_р і ρ_п – густина рідини і пари, σ – поверхневий натяг, r – теплота пароутворення, ρ₀ – густина пари при атмосферному тиску, с_р – питома теплоємкість, μ – динамічний коефіцієнт в’язкості.

Для води можна записати: