Теплообмен при конденсации паров

Процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Конденсация пара может происходить как в его объеме, так и на охлаждаемой поверхности. При конденсации на поверхности обязательно должно быть переохлаждение поверхности ниже температуры насыщения при данном давлении пара.

Конденсация в объеме не происходит даже при значительном переохлаждении пара. Поэтому непременным условием объемной конденсации является наличие центров конденсации. Их роль могут выполнять пылинки или ионизированные частицы.

В промышленных аппаратах конденсация происходит главным образом на поверхности теплообмена. При этом различают два вида конденсации: пленочную и капельную.

При пленочной конденсации вся охлаждаемая поверхность покрывается сплошной пленкой конденсата. Такой вид конденсации происходит на поверхностях, которые хорошо смачиваются данной жидкостью. Пленка конденсата создает значительное термическое сопротивление, снижая интенсивность теплообмена.

Толщина конденсатной пленки зависит от следующих факторов:

· положения поверхности;

· состояния поверхности;

· свойств жидкости;

· направления и скорости движения пара.

Капельная конденсация происходит на поверхностях, которые не смачиваются данной жидкостью. На такой поверхности конденсат накапливается в виде отдельных капель, которые по мере пополнения их жидкостью скатываются с нее. Теплоотдача при капельной конденсации примерно в 10 раз больше, чем при пленочной, т.к. большая часть охлаждаемой поверхности находится в непосредственном контакте с паром.

Аналитическое решение задачи о теплоотдаче при пленочной конденсации было выполнено Нуссельтом. Коэффициент теплоотдачи a_x определяется по формуле:

, (6)

где l - коэффициент теплопроводности конденсата; d_x – толщина пленки конденсата.

При конденсации пара на вертикальных поверхностях конденсатная пленка стекает и толщина ее изменяется по высоте. В таких случаях теплообмен со стенкой высотой H может быть описан средним значением коэффициента теплоотдачи:

, (7)

где r – теплота парообразования при температуре насыщения; r_ж – плотность конденсата; h - вязкость конденсата; Dt = (t_н – t_ст); t_н – температура насыщения пара; t_ст – температура стенки.

Для движущегося пара значения коэффициента теплоотдачи могут быть больше или меньше по сравнению с неподвижным паром.

Коэффициент теплоотдачи увеличивается с повышением скорости движения пара, если его поток уменьшает толщину конденсатной пленки или срывает ее с поверхности. Если же поток пара препятствует движению пленки и при этом не срывает ее с поверхности, то увеличение скорости пара приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи.

При шероховатых поверхностях коэффициенты теплоотдачи меньше, чем при гладких, т.к. их сопротивление течению пленки больше и, следовательно, меньше скорость стекания пленки и больше ее толщина.