ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Теплообмен при конденсации пара

Конденсация представляет процесс перехода пара в жидкое или твердое состояние. Выделение

теплоты при фазовом переходе неразрывно связано с теплообменом. Конденсация возможна только при докритическом состоянии пара и может быть получена путем охлаждения или в результате такого сжатия, когда сконденсировавшаяся фаза более устойчива, чем газообразная. Если при этом температура и давление больше чем в тройной точке, то образуется сконденсировавшаяся фаза, если меньше, то пар переходит в твердое состояние.

Конденсация может происходить в объеме и на охлаждаемой поверхности. Конденсация насыщенного или перегретого пара на поверхности происходит, если ее температура меньше температуры насыщенного пара при данном давлении. На поверхности в этом случае может появиться пленка конденсата толщиной больше

расстояния эффективного действия молекулярных сил. Если сконденсировавшаяся на поверхности фаза образуется в виде устойчивой пленки, то такая конденсация называется пленочной. Если сконденсировавшаяся на поверхности фаза образуется в виде отдельных капель, то такая конденсация называется капельной.

Пленочная конденсация образуется при смачивании поверхности конденсатом. Такая пленка создает дополнительное термическое сопротивление передаче теплоты фазового перехода.

Допустим, что поверхность конденсации плоская, а толщина слоя конденсата во много раз больше радиуса действия молекулярных сил. Тогда термическое сопротивление передаче теплоты от пара к поверхности можно записать в виде:

пленки конденсата и обусловленное скачком температуры на границе раздела паровой и жидкой фаз.

Конденсацию также можно представить как процесс захвата поверхностью всей совокупности молекул пара, сталкивающихся с ней, и испарение молекул с этой же поверхности за этот же промежуток времени. Часть молекул пара отражается от поверхности и возвращается в пар. Т.е. в поверхностном слое перемещаются два

потока молекул, имеющих различную энергию. Этот слой получил название кнудсеновского. В теории сплошных

сред перепад температур в этом слое определяют как скачок. Чем больше молекул, падающих на поверхность,

отражается, тем больше этот скачок. Это свойство учитывается коэффициентом конденсации,

представляющим отношение числа захваченных молекул к общему количеству молекул пара, соприкасающихся с поверхностью.

Поток пара, проходящий через кнудсеновский слой к жидкости, равен

vу.пов – нормальная к поверхности составляющая средней скорости молекул).

Результирующий поток, отнесенный к единице поверхности, равен:

j п vу.п пов vу.пов

Из кинетической теории газов известно, что средняя скорость молекул

vу RпT

2

. Умножая j на коэффициент конденсации k

и подставляя значения потоков пара, взятых по параметрам пара и поверхности жидкости, получим

Если переносимая через границу раздела фаз поверхностная плотность теплового потока есть только тепловой поток фазового перехода, то

q rj

Экспериментами установлено, что при конденсации водяного пара давлением

p 104 Па

можно считать, что температурный скачок на границе отсутствует, и тогда:

R 1 Rk