TOA_studentam / Лекции / 2

2.8. Теплообмен при конденсации.

Пар конденсируется, т.е. переходит в жидкое состояние, на поверхности теплообмена, температура которой ниже темпера­туры насыщения t_с < t_s. Различают капельную конденсацию, когда образовавшаяся жидкость (конденсат) не смачивает поверхность и скатывается в виде отдельных капель, например ртуть на стальной стенке, и пленочную конденсацию, когда конденсат смачивает поверхность и образует сплошную стекающую плен­ку. Пленочная конденсация встречается значительно чаще. При пленочной конденсации пар переходит в жидкое состояние на внешней, соприкасающейся с паром поверхности пленки конден­сата. Температура этой поверхности практически равна температуре насыщения. Температура конденсата на поверхности стенки равна температуре стенки t_с, т.e. толщина теплового погранич­ного слоя равна толщине пленки конденсата δ.

Рассмотрим простейший случай конденсации на вертикаль­ной поверхности. По мере стекания вдоль оси х количество кон­денсата увеличивается, соответственно возрастают толщина пленки δ и средняя но толщине скорость течения конденсата. При значениях числа Re = uδ/ν, превышающих Re_кр = 400, лами­нарное течение переходит в турбулентное.

Аналитическое решение для расчета местного коэффициен­та теплоотдачи при ламинарном режиме получено Нуссельтом в 1916 году на основе решения системы дифуров конвективного переноса теплоты.

Из формулы видно, что интенсивность теплоотдачи убыва­ет по мере стекания конденсата вдоль оси х из-за возрастания толщины пленки. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности высотой h:

Теплофизические параметры конденсата в эти формулы следует подставлять при температуре насыщения, а для учета изменения свойств конденсата при его охлаждении у стенки правые части этих формул нужно умножить на поправочный коэффициент:

,

где λ_с, μ_с – теплопроводность и вязкость конденсата, определяемые по температуре стен;

λ, μ – теплопроводность и вязкость конденсата, определяемые t_s.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации на поверхности, наклоненной под углом φ к вертикали, можно считать по формуле:

Зависимость для расчета среднего по поверхности коэффи­циента теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальной трубе диаметром d имеет вид:

При конденсации на пучке горизонтальных труб средний коэффициент теплоотдачи oт всего пучка ниже, чем от одиноч­ной трубы, поскольку толщина пленки конденсата на нижних трубах увеличиваемся за счет стекания его с верхних труб. Фор­мулы и графики для расчета поправок можно найти в справочни­ках.

В оценочных расчетах коэффициент теплоотдачи при кон­денсации чистого водяного пара можно принимать равным α ≈ 5000 Вт/(м²К).

Эффект присутствия газов.

Присутствие в паре неконденсирующихся газов (например, воздуха) сильно снижает значения коэффициента теплоотдачи из-за того, что пар, подходя к поверхности, на которой идет конденсация увлекает вместе с собой и неконденсирующиеся газы. При конденсации проис­ходит как бы сортировка пере­мешанных молекул пара и газа – первые захватываются пленкой конденсата, а вторые остаются в газовой фазе, накапливаются и вынуждены двигаться назад от поверхности раздела фаз. Этот встречный поток затрудняет доступ новым порциям пара к пленке конденсата, т.е. замедляет процесс конденсации. Влияние неконденсирующихся газов на теплоотдачу при конденсации уменьшается в случае, когда по­верхность обдувается потоком пара со скоростью и поскольку при этом молекулы газа сносятся набегающим потоком и не ус­певают накапливаться около пленки конденсата.