Введение. Общее описание процесса конденсации

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ

Конденсация – фазовый переход из состояния пара в жидкость с выделением теплоты, равной теплоте фазового перехода. Виды конденсации: объемная, поверхностная капельная (несмачиваемая стенка), поверхностная пленочная (смачиваемая стенка). В энергетическом оборудовании чаще всего реализуется пленочный режим конденсации.

В лекции рассматриваются базовые физические и математические модели тепломассообмена: конденсация на гравитационной пленке, движущейся под действием силы тяжести; конденсация на сдвиговой пленке, движущейся под действием касательного напряжения трения на поверхности раздела фаз. Течение пленки (гравитационной или сдвиговой) может быть ламинарным или турбулентным.

Введение. Общее описание процесса конденсации

Чистый (без неконденсирующихся примесей) насыщенный пар конденсируется на охлаждаемой стенке, температура которой t_w (wall – стенка) должна быть меньше температуры насыщения при заданном давлении:

(13.1)

Схема процесса конденсации

Если образующийся на холодной стенке конденсат смачивает поверхность стенки, то получается пленка жидкости, стекающая вниз по поверхности стенки под действием силы тяжести, как показано на рисунке. В таком случае говорят о пленочной конденсации пара. Если посредством специальных покрытий гидрофобизировать (сделать несмачиваемой) поверхность, то можно получить капельную конденсацию, отличающуюся высокой интенсивностью. В дальнейшем рассматривается пленочная конденсация пара, обычно имеющая место на практике в конденсационных устройствах энергетических установок.

Чтобы сконденсировать пар в количестве G_v (vapor – пар), из конденсатора должен быть отведен тепловой поток Q:

,

(13.2)

где r ­– скрытая теплота конденсации, выделяющаяся на поверхности раздела фаз пар–жидкость и отводимая через пленку конденсата к охлаждаемой твердой поверхности; величина в скобках учитывает небольшую добавку, получающуюся из-за переохлаждения конденсата при течении вдоль холодной стенки (t_w < t_s, t_w < t_lq < t_s). В конечном счете, тепловой поток отводится к холодной жидкости, поступающей из системы охлаждения конденсатора.

Мерой интенсивности процесса конденсации является коэффициент теплоотдачи при конденсации α, который вводится уравнением Ньютона–Рихмана как коэффициент пропорциональность между плотностью теплового потока и температурным напором:

(13.3)

где

· q – локальная плотность теплового потока, отводимого к стенке при конденсации пара,

· (t_s – t_w) – локальный температурный напор при конденсации, разность между температурой t_s на поверхности раздела фаза, т.е. на поверхности пленки конденсата, и температурой стенки t_w,

· α – локальный коэффициент теплоотдачи при конденсации.

Задачей дальнейшего анализа является формулировка математической модели теплообмена при конденсации и вывод расчетных соотношений для коэффициента теплоотдачи α. В списке определяющих параметров для α находятся:

· плотность теплового потока или температурный напор,

· физические свойства конденсата (теплопроводность, вязкость и др.),

· ускорение силы тяжести,

· скорость парового потока,

· протяженность поверхности конденсации.

Обычно при конденсации чистого пара коэффициенты теплоотдачи имеют большие численные значения. Например, для воды при атмосферном давлении α ~10⁴ Вт/м²˚С, а при конденсации быстродвижущегося пара – α ~10⁵ Вт/м²˚С.

Конденсатная пленка стекает вниз по поверхности стенки под действием силы тяжести. В случае движущегося пара пленка подвергается также действию силы трения на поверхности раздела фаз. Рассмотрим отдельно два предельных случая: конденсация на гравитационной пленке, движущейся под действием силы тяжести; конденсация на сдвиговой пленке, движущейся под действием касательного напряжения трения на поверхности раздела фаз. Течение пленки (гравитационной или сдвиговой) может быть ламинарным или турбулентным, в зависимости от расхода конденсата и его вязкости.

В результате, можно составить следующий список базовых процессов конденсации: ламинарная гравитационная пленка; турбулентная гравитационная пленка; ламинарная сдвиговая пленка; турбулентная сдвиговая пленка.