Теплообмен при конденсации насыщенных паров

При конденсации паров тепло конденсации отводится к холодной стенке. Конденсат, скапливающийся на стенке, оказывает основное термическое сопротивление теплоотдаче при конденсации. В случае плохой смачиваемости поверхности конденсации, конденсат образуется в виде отдельных капель (капельная конденсация). Так как капли занимают малую долю поверхности теплоотдачи, то термическое сопротивление при капельной конденсации близко к нулю. Этот вид конденсации отличается неустойчивостью процесса и встречается редко. Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации существенно выше, чем при пленочной конденсации и достигает 100¼150 кВт/(м²×К).

Если конденсат смачивает поверхность конденсации, то он образует на ней стекающую вниз пленку (пленочная конденсация). Характер течения пленки зависит от высоты поверхности конденсации и количества конденсата. Обычно в верхней части стенки наблюдается ламинарный режим течения конденсата, затем переходный и внизу стенки возможно наступление турбулентного режима течения пленки (рис. 2.6). Локальные значения коэффициента теплоотдачи зависят от теплофизических свойств конденсата, толщины пленки конденсатного ручья и режима его течения. В верхней части стенки конденсат стекает в ламинарном режиме и тепло через пленку проходит только за счет теплопроводности. Распределение температур в конденсатной пленке в считается линейным (рис. 2.6,в). Во второй и третьей зоне, непоредственно у стенки, течет ламинарный подслой 1, в котором сохраняется линейное распределение температур, а поверх него находится турбулентный подслой конденсатного ручья 2, в котором тепло проходит за счет теплопроводности и конвективным путем, что приводит к распределению температур в этой части по криволинейной зависимости. С ростом толщины ламинарного потока в верхней части стенки коэффициент теплоотдачи падает (рис.2.6,б), достигает минимальных значений и затем, по мере увеличения степени турбулизации и скорости движения конденсатного ручья, увеличивается.

Рассматривая равенство тепловых потоков теплоотдачи и теплопроводности через ламинарную пленку конденсата толщиной d, получим a=l/d. Таким образом, коэффициент теплоотдачи при конденсации определяется параметрами конденсатной пленки. Средние значения коэффициента теплоотдачи при конденсации определяются по критериальному уравнению, полученному на основе теории подобия

где К_s=r/(cÑt) – критерий конденсации; с – теплоемкость конденсата, Дж/(кг×К); Ñt=t_s-t_ст – температурный напор конденсации, °С; А – постоянный сомножитель, численные значения которого зависят от типа поверхности конденсации. Подставив в уравнение (2.37) выражения для критериев подобия, получим

aL/l=A(gL³/n²)^0,25(n/a)^0,25(r/(cÑt))^0,25,

отсюда . (2.38)

При конденсации пара на горизонтальных трубах конденсатная пленка имеет минимальную толщину на верхней точке (рис.2.7) и по мере стекания ее толщина растет, достигая максимальных значений в месте отрыва пленки от поверхности трубы. Обычно на одиночныхтрубах наблюдается только ламинарный конденсатный ручей.

Последнее уравнение используется для расчета коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме течения конденсатной пленки на вертикальных стенках (А=1,645) и одиночных горизонтальных трубах (А=1,288). В качестве определяющего размера используется размер поверхности конденсации по вертикали. Физические константы для конденсата (вязкость, теплопроводность, теплота конденсации и плотность) берутся при температуре насыщения. Сомножитель С, учитывающий свойства конденсатной пленки, зависит от природы и температуры. Для воды в интервале температур 60¼160 °С С= =4115,8+40,562 t-0,1217 t².

Граница применения уравнения (2.38) определяется значением критерия Рейнольдса для конденсатной пленки Reпл=aÑtL/(rm)<100.

При наличии турбулентного режима расчетное уравнение усложняется. Обычно для расчета используется уравнение, включающее комплекс

Z=. (2.39)

Расчетные уравнения с использованием комплекса Z имеют вид:

a=0,95r r n Z^0,78/(Ñt L) при Z<2300; (2.40)

a=0,25r m[253+0,069Pr0,5(Z-2300)]1,33/(Ñt L) при Z>2300. (2.41)

При конденсации пара на пучке горизонтальных труб большое влияние на коэффициент теплоотдачи оказывает схема расположения труб в пучке. При расположении труб на одной вертикали конденсат верхних труб заливает всю поверхность нижних труб, и средние значения коэффициента теплоотдачи для пучка могут оказаться в 2¼2,5 раза ниже, чем коэффициент теплоотдачи для верхнего ряда труб. Для уменьшения толщины пленки конденсата используется ромбическое расположение труб в пучке под углом 60° (схема Жинаба). Пучок повернут от вертикальной оси на угол, обеспечивающий расположение оси верхней трубы над краем трубы, находящейся под ней. В этом случае конденсат с верхней трубы стекает на край нижней трубы и по её нижней поверхности стекает на край следующей. Таким образом, при расположении труб по схеме Жинаба конденсатом заливается около четверти поверхности нижних труб. Расчет среднего коэффициента теплоотдачи для пучка труб проводится по уравнению (2.38) с введением справочного поправочного коэффициента j, зависящего от числа рядов n в пучке по главной диагонали по эмпирической зависимости j=0,84n^-0,02.

При расчете коэффициента теплоотдачи перегретого пара расчет проводится по тем же зависимостям, что и для насыщенного пара с использованием вместо теплоты парообразования суммы теплоты парообразования и теплоты перегрева пара.

Присутствие газов в конденсирующемся паре уменьшает коэффициент теплоотдачи. Снижение интенсивности теплообмена связано с образованием на поверхностях конденсации газовых подушек, которые препятствуют диффузии пара к поверхности конденсации. Если не принимать мер по удалению газовых подушек, то процесс конденсации на промышленных аппаратах может прекратиться полностью. Для их удаления используется продувка паровых полостей паром. Для этой цели в верхней части паровых полостей промышленных теплообменников установлены штуцеры продувки, которые открывают на несколько минут один раз в смену. При этом вместе с выбрасываемым паром удаляются и газовые подушки.

На теплообмен при конденсации оказывает влияние также и скорость пара. При его движении сверху вниз пар увеличивает скорость течения конденсатной пленки, снижает ее толщину и увеличивает коэффициент теплоотдачи. В случае противоположного движения пара движение конденсатной пленки тормозится, её толщина растет и коэффициент теплоотдачи уменьшается. Однако при достаточно больших скоростях пара пленка конденсата им сдувается и коэффициент теплоотдачи растет.