Теплоотдача при конденсации пара

Если пар соприкасается с поверхностью какого-либо тела, температура которого ниже температуры насыщения, то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в ви­де пленки или капель оседает на поверхности и стекает вниз.

В зависимости от состояния поверхности различают два вида кон­денсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсатора не смачивается жидкостью (покрыта каким-либо жиром, керосином, нефтяным продуктом) и конденсат осаждается в виде отдель­ных капелек, то происходит капельная конденсация. На смачивае­мой поверхности конденсатора конденсирующийся насыщенный пар образует сплошную пленку определенной толщины; такая кон­денсация называется пленочной. Капельная конденсация — явле­ние случайное, неустойчивое и кратковременное. Она отличается интенсивным теплообменом и коэффициент теплоотдачи при ней в 15-20 раз выше, чем при пленочной конденсации. Объясняется это явление тем, что конденсирующийся пар находится в непосред­ственном соприкосновении с охлаждаемой поверхностью.

При пленочной конденсации теплота пара передается поверхно­сти пленки конденсата, а пленка передает теплоту стенке. Пленка конденсата представляет значительное термическое сопротивление и чем она толще, тем меньше теплоотдача.

Обычно в теплообменных аппаратах, работающих на водяном паре, наблюдается пленочная конденсация. В верхней части верти­кальной стенки или трубы пленка стекает с малыми скоростями и движение пленки будет ламинарным. По мере увеличения скорости конденсата движение пленки переходит в турбулентное.

Рассмотрим теплоотдачу при пленочной конденсации в случае ламинарного движения пленки конденсата. В данном процессе перенос теплоты через пленку осуществляет­ся только теплопроводностью. Пусть поверхность пленки конден­сата, обращенная к пару, имеет температуру t _н(температуру насыщения), а поверхность пленки конденсата, соприкасающаяся со стенкой, имеет температуру t _ст. Тогда при коэффициенте тепло­проводности конденсата λ и толщине пленки δ плотность тепло­вого потока равна

.

Кроме того, из закона Ньютона — Рихмана известно, что при коэф­фициенте теплоотдачи a плотность теплового потока равна

,

откуда

. (6-4)

Из уравнения (6-4) следует, что коэффициент теплоотдачи a зависит от толщины слоя конденсата, стекающего по стенке вниз, и чем толще будет слой, тем меньше теплоотдача.

В основу теории конденсации пара положены исследования Нуссельта, который вычислил толщину пленки конденсата, а затем, интегрируя величину количества теплоты, проходящей через вер­тикальную стенку высотой Н, нашел уравнение для определения коэффициента теплоотдачи.

В дополнение к исследованиям Нуссельта, академик П.Л. Ка­пица показал, что движение пленки может иметь волновой характер и перенос тепла такой пленкой в среднем на 21 % выше, чем пленкой, имеющей ламинарное движение. Поэтому в практиче­ских расчетах рекомендуют следующие формулы определения сред­него значения коэффициента теплоотдачи: для вертикальной стенки

Вт/м²·град,(6-5)

для горизонтальной стенки

Вт/м²·град, (6-6)

где g — ускорение силы тяжести;

λ — коэффициент теплопроводности жидкости;

r — теплота парообразования;

ρ — плотность жидкости;

n — кинематическая вязкость жидкости;

H — высота вертикальной стенки;

t _н— температура насыщенного пара;

t _ст— температура поверхности стенки;

d — наружный диаметр трубы.

Физические параметры конденсата λ, n и ρ берутся при средней температуре пленки конденсата, равной t_cp = 0,5(t _н + t _ст). Теп­лота парообразования r берется при температуре насыщения t _н.

В общем виде уравнение теплообмена при конденсации в усло­виях ламинарного движения в критериальной форме имеет следую­щий вид:

, (6-7)

где К — критерий фазового превращения, равный

; ; ; .

Формула (6-7) справедлива для паров различных веществ.

Масса конденсата, образующаяся на 1 м²поверхности, определяется по формуле

кг/сек∙м².(6-8)

Так как высота трубы всегда больше диаметра, то коэффициент теплоотдачи при горизонтальном расположении трубы выше, чем при вертикальном расположении.