Капельная конденсация

Общее представление о процессе конденсации

Теплоотдача при конденсации

Процесс конденсации часто встречается на практике в конденсаторах паровых турбин и холодильных установок, в опреснителях при получении питьевой воды и т.д. Суть процесса конденсации связана с отводом тепла конденсации через теплообменную поверхность с одновременным отводом конденсата. Поэтому для организации стационарного процесса конденсации пара необходимо непрерывно отводить тепло. Конденсация может происходить как на твердых теплообменных поверхностях, так и внутри объема пара. Пример конденсации в объеме — дождь. Для возникновения объемной конденсации пар должен быть перенасыщен – его плотность должна превышать плотность насыщенного пара. При этом в паре необходимо наличие мельчайших пылинок (аэрозолей), которые служат готовыми центрами конденсации. Для превращения каждого килограмма насыщенного пара в жидкость необходимо отвести тепло в количестве r, Дж/кг.

Q = r·G'', (14.7)

где r — скрытая теплота парообразования, значения которой находят из таблиц физических свойств данного вещества при данной температуре насыщения, зависящей от давления конденсации, Дж/кг;

G'' — количество конденсируемого пара, кг/с.

Когда пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, он отдает тепло стенке, конденсируется, и конденсат оседает на стенке. При этом различают два вида конденсации: капельную и плёночную. При капельной конденсации конденсат осаждается в виде отдельных капель, а плёночный режим конденсации сопровождается образованием сплошной плёнки жидкости.

Режим капельной конденсации возможен лишь в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения. Капельная конденсация может быть получена искусственно путем нанесения на теплообменную поверхность тонкого слоя масла, жира, нефтепродуктов. Теплообменная поверхность должна быть хорошо отполирована. Капельная конденсация для водяного пара — явление неустойчивое. Она отличается интенсивным теплообменом, который в 15-20 раз выше, чем при плёночной конденсации. Это объясняется тем, что пар контактирует непосредственно с теплообменной поверхностью, и между паром и стенкой нет дополнительного термического сопротивления.

Ведутся активные работы по созданию условий для капельной конденсации с помощью лиофобизаторов (для воды — гидрофобизаторов). Их наносят на поверхность теплообмена, но так как они смываются конденсатом, их нанесение периодически необходимо возобновлять.

Коэффициенты теплоотдачи при капельной конденсации имеют очень высокие значения.

При капельной конденсации пара на поверхности пучка горизонтальных труб скатывание капель с трубы на трубу приводит к небольшому снижению интенсивности теплоотдачи на уровне 10-12%.

14.2.3. Теплоотдача при плёночной конденсации

Обычно в теплообменных аппаратах наблюдается плёночная конденсация, и пар контактирует уже не с теплообменной поверхностью, а с плёнкой конденсата, которая представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем ниже теплоотдача. При конденсации пара на вертикальных трубах (или на вертикальной стенке) в верхней части трубы наблюдается ламинарное течение плёнки конденсата. По мере стекания плёнки вниз увеличивается скорость движения, начинается турбулентное течение плёнки, но при этом увеличивается её толщина.

Теоретическое решение теплоотдачи при плёночной конденсации предложил Нуссельт. При этом он ввел следующие упрощающие предпосылки:

1) течение плёнки имеет ламинарный характер;

2) силы инерции, возникающие в плёнке, пренебрежимо малы по сравнению с силами вязкости;

3) конвективный перенос тепла поперек течения пленки отсутствует;

4) теплопроводность вдоль плёнки пренебрежимо мала по сравнению с теплопроводностью поперёк плёнки;

5) трение конденсата о пар отсутствует;

6) температура внешней поверхности плёнки равна ts;

7) плотность, вязкость и теплопроводность конденсата — величины постоянные, не зависящие от температуры.

Как показали более поздние исследования, основные закономерности процесса конденсации теория Нуссельта отражает правильно.

С учетом уточнений П.Л. Капицы формулы, полученные Нуссельтом и описывающие теплоотдачу при конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах, имеют следующий вид.

Для вертикальной стенки или трубы

, (14.8)

где величины физических параметров rж, lж, nж берутся при средней температуре плёнки .

Значения r берётся при ts;

h — высота трубы (стенки), м.

Для горизонтальных труб

. (14.9)

Здесь d — диаметр трубы, м.

Расчетные формулы, полученные Нуссельтом, описывают процесс конденсации неподвижного пара. Движение пара осложняет процесс и может, как увеличивать, так и уменьшать интенсивность теплоотдачи. Если движение пара совпадает с направлением движения конденсата, поток пара ускоряет движение плёнки, ее толщина уменьшается, коэффициент теплоотдачи возрастает. При встречном движении пар тормозит течение конденсата, толщина плёнки возрастает, теплоотдача уменьшается. Однако при большой скорости пара происходит срыв части плёнки и теплоотдача вновь растет.

Рис. 14.5. Схема установки конденсатоотводных колпачков на вертикальных трубах

Кроме скорости движения пара на интенсивность конденсации влияют также состояние поверхности теплообмена и наличие в паре неконденсирующихся газов.

На трубах с шероховатостью (или ржавчиной) из-за дополнительного сопротивления течению плёнки ее толщина увеличивается, коэффициент теплоотдачи при этом может снизиться на 30 %.

Наличие в паре воздуха или других неконденсирующихся (в данных условиях) газов резко снижает теплоотдачу. Например, наличие в паре 1% воздуха снижает теплоотдачу на 60%. Это происходит, потому что воздух (или другой газ), подходя к поверхности и не конденсируясь, накапливается и остается у поверхности тонким слоем, через который молекулы пара вынуждены проникать путем диффузии.

При проектировании конденсационных устройств большое внимание уделяется компоновке поверхности охлаждения. Для вертикальных труб коэффициент теплоотдачи к низу значительно уменьшается из-за возрастания толщины плёнки. Поэтому вертикально расположенные трубы обычно снабжаются специальными конденсатоотводными колпачками через каждые 10-15 см, что увеличивает среднее значение коэффициента теплоотдачи в 2-5 раз.

При горизонтальной компоновке труб желательно, чтобы струйки конденсата с верхних труб попадали на боковые поверхности нижележащих труб, сбивая с них плёнку конденсата.

Так как интенсивность теплоотдачи при конденсации достаточно высока, при проектировании конденсаторов следует уделить особое внимание профилактическим мерам предотвращения снижения теплоотдачи из-за наличия воздуха в системе, и загрязнений теплообменной поверхности.