Теплоотдача при конденсации пара

Основным элементом замкнутых испарительных систем охлаждения являются теплообменные устройства. В испарительной системе промежуточный теплоноситель (жидкий диэлектрик) превращается в пар, отбирая при этом теплоту от нагретых деталей аппаратуры, далее – переносится к теплообменнику и отдает ему при конденсации теплоту. Образовавшийся конденсат под действием силы тяжести возвращается в блок.

Рассмотрим физический процесс теплообмена при конденсации.

Конденсацией – называется процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое. Конденсация в твердое состояние называется десублимацией. Различают конденсацию в объеме пара или парогазовой смеси и конденсацию на поверхности твердого тела или жидкости, с которыми пар (парогазовая смесь) находятся в контакте.

Мы будем рассматривать теплоотдачу в процессе конденсации чистого пара на твердой поверхности. Чистым называется пар, который не содержит примесей других паров и газов.

Пар начинает конденсироваться на поверхности, если температура поверхности ниже температуры насыщения при данном давлении. Различают пленочную и капельную конденсацию.

Пленочная конденсация – это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое на хорошо смачиваемой (гидрофильной) поверхности твердого тела, при котором образуется сплошная пленка конденсата.

Капельная конденсация – это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое на смачиваемой жидкостью (гидрофобной) поверхности твердого тела, при котором на ней образуется отдельные капли конденсата.

Коэффициент теплоотдачи в процессе пленочной конденсации водяного пара при атмосферном давлении достигает значений

При пленочной конденсации на вертикальной стенке пленка конденсата под действием силы тяжести стекает сверху вниз.

При капельной конденсации на поверхности нагрева образуются капельки жидкости, со временем они растут и, достигая определенного размера, скатываются по вертикальной стенке, увлекая за собой другие капли. При этом создаются благоприятные условия для теплопередачи. Действительно, капли увеличивают поверхность теплообмена, процесс скатывания капель интенсифицирует перенос теплоты. В результате коэффициент теплоотдачи в процессе капельной конденсации водяного пара при атмосферном давлении достигает .

Можно осуществить компактный конденсатор, если осуществлять в нем капельную конденсацию. Были предприняты попытки создать условия, при которых происходит капельная конденсация, например, путем добавки гидрофобизаторов в пар или нанесения их на поверхность стенки. В качестве таких веществ применяли некоторые жиры и парафины. Однако такой способ интенсификации теплоотдачи при конденсации пока не получил широкого распространения. В современных конденсаторах практически всегда осуществляется пленочная конденсация.

Ламинарное течение пленки

При ламинарном течении пленки коэффициент оказывается наименьшим из тех, которые возможны в процессе конденсации. Любое отклонение от ламинарного режима течения приводит к интенсификации теплоотдачи.

Рассмотрим процесс теплоотдачи при конденсации сухого насыщенного пара на вертикальной стенке. Предполагаем:

1) силы инерции пренебрежимо малы по сравнению с силами вязкости и тяжести;

2) конвективный перенос теплоты в пленке конденсата и теплопроводность вдоль пленки пренебрежимо малы по сравнению с теплопроводностью по направлению нормали к поверхности пленки;

3) влиянием трения между поверхностью пленки конденсата и пара пренебрегаем;

4) температура на внешней границе пленки равна температуре пара;

5) плотность конденсата и его физические константы ( ) не зависят от температуры;

6)градиент давления

С учетом принятых допущений система уравнений, описывающих процесс теплопередачи, имеет вид:

- уравнение энергии

- уравнение движения

Граничные условия:

при , , ;

при , ,

Здесь - толщина пленки конденсата в сечении x;

- температура насыщения;

- температура поверхности стенки.

Решение уравнения энергии при заданных граничных условиях мы уже получали, когда рассматривали теплопередачу в плоской стенке.

и

Из этого уравнения можно найти локальный коэффициент теплоотдачи, зная

Теперь определим толщину пленки конденсата . Интегрируя уравнение движения при граничных условиях, получим

- параболическое распределение скорости по толщине пленки конденсата.

Для определения запишем, чему равна масса конденсата, которая образовывается на площади поверхности пленки в единицу времени на расстоянии x от начала координат

где r – теплота парообразования (конденсации);

Если принять ширину пленки (вдоль оси Oz) равной 1, то

где - средняя скорость, определяемая по формуле

формула не видна

В результате расчетов получили выражение для толщины пленки конденсата

Тогда

Средний коэффициент теплоотдачи в безразмерной форме

где - число Галилея

- число фазового превращения, где

r – теплота парообразования (конденсации), Дж/кг

Течение конденсата может быть волновым при сохранении ламинарного режима течения. Волновое течение пленки начинается при определенном соотношении сил тяжести, вязкости и поверхностного натяжения. П.Л.Капица установил, что при таком движении толщина пленки снижается, а коэффициент теплоотдачи возрастает на 21 %.