1.2 Термическое сопротивление при конденсации

Интенсивность конденсации пара происходит в два этапа:

1) Собственно процесс конденсации, т.е. молекулы воды Н₂О из паровой фазы устремляются к жидкой фазе или плёнке конденсата, и захватываются ею. В результате выделяется скрытая теплота парообразования, т.к. энергия молекулы, имеющая большую скорость в паровой фазе, (молекулы движутся в хаотичном направлении со скоростью звука) при переходе в жидкое состояние они теряют эту большую скорость за счёт притяжения молекул в жидком состоянии, и поэтому кинетическая энергия молекул превращается в тепловую (скрытая теплота парообразования). В жидком состоянии происходит колебательное движение, молекул, и теплопроводность в жидкости осуществляется за счёт упругих волн колебательного движения молекул.

2) Отвод выделившейся теплоты парообразования от поверхности плёнки конденсата через слой конденсата. Главным условием конденсации является то, что температура поверхности теплообмена должна быть меньше температуры насыщения: t_w < t_s(н).

Термическое сопротивление передачи теплоты от пара к стенке можно представить в виде суммы двух слагаемых:

, (1.2)

где – термическое сопротивление плёнки конденсата;

– термическое сопротивление фазового перехода.

Согласно кинетической теории, не все молекулы пара, достигшие поверхности конденсата, захватываются этой поверхностью. Часть их отражается от этой поверхности и возвращается в паровую фазу. Это обстоятельство учитывается коэффициентом конденсации К, который представляет собой отношение числа захватываемых молекул к общему числу молекул пара, ударяющихся о плёнку конденсата. Коэффициентом конденсации К определяется скачок температуры на поверхности, равный разности t_s – t_пов, которая может достигать 1С. Это значит, что температура плёнки конденсата меньше температуры насыщения (в справочниках даётся t_s). При давлении коэффициент конденсации для воды равен 1. Температурный скачок на поверхности пропадает, следовательно фазовое термическое сопротивление R_ф не учитывается в расчётах:

. (1.3)

С увеличением толщины плёнки конденсата, коэффициент теплоотдачи уменьшается

. (1.4)

Из формулы (1.4) следует, что для определения коэффициента теплоотдачи достаточно знать толщину плёнки конденсата.

Теоретическую задачу по расчёту толщины плёнки конденсата впервые сделал Нуссельт в 1916 году.

1.3 Теплообмен при конденсации чистого пара при вертикальной поверхности и при ламинарном режиме течения плёнки конденсата.

При ламинарном режиме течения жидкости теплота передаётся поперёк плёнки только путём теплопроводности. При турбулентном режиме течения имеет место ещё и перенос тепла конвекцией. Переход от ламинарного режима к турбулентному определяют по числу Рейнольдса (критическое число Рейнольдса ): .

Пренебрегая теплотой переохлаждения конденсата считаем, что тепловой поток, передаваемый от паровой фазы к станке, будет равен

, где G – количество конденсата, кг/с. (1.5)

Расход конденсата определяется из уравнения неразрывности:

, (1.6)

где – размер стенки в направлении нормальной плоскости чертежа.

Отсюда: .

На участке от до х образуется тепловой поток:

;

. (1.7)

Из формулы (1.7) следует, что при неизвестных условиях критерий Re кроме своей основной функции гидродинамического критерия, определяющего режим движения жидкости, являющегося ещё и тепловым критерием подобия, определяющим интенсивность теплоотдачи.