ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ

Этот вид теплопередачи, а также теплоотдача при кипении жидкостей протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Особенность этих процессов состоит, прежде всего, в том, что тепло подводится или отводится при постоянной температуре.

Теплоотдача при конденсации насыщенных паров представляет собой сложное явление одновременного переноса теплоты (определяемое теплотой парообразования) и массы (определяемой количеством сконденсированного пара).

На хорошо смачиваемых поверхностях капли конденсата, сливаясь друг с другом, образуют жидкую пленку, которая под действием силы тяжести стекает вниз. Такую конденсацию пара называют плёночной. На несмачиваемой или плохо смачиваемой поверхности капли конденсата быстро стекают (“скатываются”) по поверхности стенки, не образуя пленки. Такой вид конденсации называют капельной. Капельная конденсация на практике реализуется редко, несмотря на то, что коэффициенты теплоотдачи в этом случае в несколько раз выше коэффициентов теплоотдачи при пленочной конденсации.

Рис1. Теплоотдача при конденсации.

Последнее объясняется тем, что и при пленочной конденсации коэффициенты достаточно высоки, и потому стадия переноса теплоты при пленочной конденсации обычно не является лимитирующей в общем процессе теплопереноса, в то время как создание несмачиваемой (гидрофобной) поверхности в теплообменнике (для создания капельной конденсации) приводит к удорожанию процесса. Поэтому в теплообменниках обычно конденсация паров происходит по пленочному механизму.

При пленочной конденсации на стенке вследствие разности температур (t_п - t_ст) образуется плёнка конденсата (Рис. 1), которая постепенно утолщается по мере стекания. При этом увеличивается и термическое сопротивление пленки.

При ламинарном режиме движения стекающей пленки конденсата количество dQ теплоты, проходящее через элементарную площадку dF этой пленки, определяется по формуле:

dQ = λ(t_п – t_ст)dF/δ (1),

где λ и δ – теплопроводность и толщина пленки конденсата, соответственно.

Это же количество теплоты можно выразить с помощью уравнения теплоотдачи:

dQ = α(t_п – t_ст)dF (2)

Тогда, из уравнения (1) и (2), получим коэффициент теплоотдачи α:

α = λ/ δ (3)

Толщина пленки δ зависит от высоты H стенки, по которой стекает плёнка конденсата, и от физических свойств конденсата.

Ранее было получено уравнение для определения толщины пленки жидкости, стекающей по вертикальной стенке:

δ = (4)

где Г = wSρ/Π, кг/(м·с) – линейная плотность орошения; w – средняя скорость движения плёнки; S – площадь сечения пленки; Π – периметр поверхности, по которой стекает плёнка.

На элементе высоты пленки dH толщина пленки увеличивается на dδ, что приводит к увеличению Г на dГ. Из уравнения (4) следует:

Г = ρ²g δ³/(3μ) (5)

Тогда

dГ= ρ²g δ²dδ/μ (6)

Количество теплоты, отданное плёнке паром в количестве dГ, определяется по формуле dQ = rdГ. Это же количество теплоты проходит через слой плёнки конденсата толщиной δ и высотой dH.

dQ = (7)

Полагая, что t_cт = const (т.е. физические свойства плёнки остаются постоянными на высоте) и ось z направлена вниз, интегрируем уравнение (7) в пределах от 0 до и от 0 до H, предварительно разделив переменные:

Отсюда:

= (8)