3.1.3. Теплообмен при пленочном кипении.

При пленочном режиме кипящая жидкость отделена от поверхности нагрева паровой пленкой, причем температура поверхности t_c значительно превышает температуру насыщения t_s. Поэтому наряду с конвективным теплообменом между поверхностью и паровой пленкой при высоких температурах заметная часть в переносе теплоты принадлежит тепловому излучению.

Интенсивность конвективного теплообмена при пленочном кипении определяется термическим сопротивлением паровой пленки. Характер движения пара в пленке и ее толщина зависят от размеров и формы поверхности нагрева и ее расположения в поле тяжести, а также от условий движения жидкости. Так, при пленочном кипении на поверхности горизонтальных труб в условиях свободного движения (в большом объеме) пар движется вдоль периметра трубы к верхней образующей и по мере накопления периодически удаляется в форме отрывающихся пузырей. Паровая пленка имеет толщину, измеряемую долями миллиметра, а движение пара в ней носит ламинарный характер. Средние коэффициенты теплоотдачи составляют примерно 100…300 Вт/(м²·К). Расчет теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальных трубах в большом объеме следует проводить по формуле

, (3-9)

где — эффективная теплота фазового перехода, учитывающая перегрев пара в пленке; D — диаметр трубы.

Физические свойства в этой формуле (за исключением плотности жидкости ρ_п) относятся к паровой фазе. Их следует выбирать по средней температуре пара:

При пленочном кипении на поверхности вертикальных труб и пластин течение пара в пленке обычно имеет турбулентный (вихревой) характер. Поверхность пленки испытывает волновые колебания, толщина пленки растет в направлении движения пара. Опыты показывают, что теплоотдача практически не зависит от высоты поверхности нагрева, а следовательно, и от расхода пара в пленке. В целом процесс оказывается во многом аналогичным свободной конвекции однофазной жидкости около вертикальных поверхностей. В данном случае подъемная сила, определяющая движение пара в плёнке, определяется разностью плотностей жидкости и пара . Расчет теплоотдачи в этом случае может проводиться по формуле [53]

(3-10)

Теплофизические свойства пара в этой формуле следует выбирать по средней температуре пара.

3.2. Теплообмен при конденсации пара

Конденсация представляет собой процесс перехода пара (газа) в жидкое или твердое состояние (фазовый переход первого рода). Конденсация пара часто встречается на практике. В конденсаторах паровых турбин пар конденсируется на охлаждаемых трубах; конденсация пара осуществляется в опреснительных установках и многочисленных теплообменных аппаратах.

1. Основные представления о процессе конденсации.

Конденсация может происходить как в объеме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена. В первом случае образование конденсированной фазы может происходить самопроизвольно при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения и на холодных жидких или твердых частицах, вводимых в пар.

В энергетике, во многих других областях техники и промышленности чаще приходится иметь дело с конденсацией пара в жидкое состояние на охлаждаемых поверхностях теплообмена. Конденсация насыщенного или перегретого пара на твердой поверхности теплообмена происходит, если температура поверхности меньше температуры насыщения при данном давлении.

конденсации, когда жидкая конденсированная фаза образуется на поверхности теплообмена в виде устойчивой пленки (рис 3.9), называется пленочной конденсацией. Когда же на поверхности происходит образование капель (рис 3.9 и 3.10) , имеет место капельная конденсация. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает данную поверхность теплообмена. Если же конденсат не смачивает поверхность, то происходит капельная конденсация.

Рис. 3.10 – фотография капельной конденсации водяного пара на поверхности, смоченной керосином

Рис. 3.9. конденсация водяного пара: а) - капельная ; б) - пленочная

При капельной конденсации водяного пара теплоотдача может быть во много раз больше, чем при пленочной. Это объясняется тем, что пленка конденсата является большим термическим сопротивлением передаче тепла фазового перехода от поверхности конденсации к стенке. При капельной конденсации в силу разрыва пленки это сопротивление гораздо меньше. Приблизительно можно говорить, что при капельной конденсации , а при пленочной

Капельная конденсация может быть вызвана с помощью специальных веществ, называемых лиофобизаторами (при конденсации водяного пара – гидрофобизаторами). Эти вещества наносятся на поверхность теплообмена или вводятся в пар.