10.2. Теплообмен при конденсации паров

Конденсация пара имеет место тогда, когда пар соприкасается с поверхностью, температура которой меньше температуры насыщения. Различают два вида конденсации: капельную, когда пар оседает на поверхности в виде отдельных капель, и пленочную, когда на поверхности образуется сплошная пленка конденсата. Капельная конденсация возможна в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения, при смачивании имеет место пленочная конденсация.

Поверхности, на которой осаждается конденсат, передается тепловая энергия, равная ее количеству, затраченному на образование сконденсированного пара. При пленочной конденсации это тепло передается через слой образующейся пленки путем теплопроводности. Если принять, что температура поверхности пленки конденсата, соприкасающейся с паром, равна температуре насыщения , то плотность теплового потока будет определяться выражением

,

где - толщина пленки конденсата, - температура охлаждаемой поверхности.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для вертикальной стенки высотой Н, как показано в [5], выражается формулой

, (10.2.4)

где - перегрев пара относительно охлаждающей поверхности; - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры жидкости , , , , плотность пара , которые берутся при температуре насыщения .

Из (10.2.4) следует, что коэффициент теплоотдачи уменьшается с ростом высоты Hи увеличением температурного напора . Это объясняется тем, что при увеличенииHи увеличивается средняя толщина пленки конденсата (рис. 10.2а).

Рис.10.2. Изменение толщины пленки (а) и коэффициента теплоотдачи вдоль вертикальной стенки (б)

Расчеты по формуле (10.2.4) дают несколько заниженное значение коэффициента теплоотдачи. Последнее объясняется тем, что при выводе формулы предполагалось, что стекание конденсата имеет ламинарный характер, а теплофизические свойства конденсата не зависят от температуры. В действительности же стекание конденсата имеет, как правило, волновой характер (рис.10.2а), что приводит к увеличению среднего коэффициента теплоотдачи примерно на 20%, влияние же зависимости физических параметров конденсата от температуры на интенсивность теплоотдачи в нормальных условиях невелико и, например, для воды составляет не более 10%.

При капельной конденсации центрами зарождения капель являются микро углубления и разного рода неоднородности поверхности. Зародившиеся капельки растут, одновременно сливаясь друг с другом, образуя капли размером одного или нескольких миллиметров, которые скатываются с поверхности под влиянием силы тяжести.

Процесс каплеобразования увеличивается по мере возрастания температурного напора , при этом увеличивается и теплоотдача. При некотором значении температурного напора плотность капель на поверхности конденсации увеличивается, доступ пара непосредственно к поверхности уменьшается и, следовательно, уменьшается теплоотдача (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Зависимость при капельной конденсации водяного пара

На интенсивность теплоотдачи при конденсации влияет состояние поверхности, содержание в паре неконденсирующихся газов и ряд других факторов. Шероховатости поверхности создают дополнительное сопротивление стеканию конденсата, вследствие чего ухудшается доступ пара к поверхности и теплоотдача уменьшается.

При наличии в паре неконденсирующегося газа, который по мере конденсации пара скапливается у поверхности, образуя газовую пленку, препятствующую продвижению паpaк поверхности, теплоотдача уменьшается. Например, при содержании в паре 1% воздуха коэффициент теплоотдачи снижается на 60% [5].