Общие положения о способах получения конденсированных систем, страница 2

Конденсация паров на твердых поверхностях (например, на стенках труб) обладает рядом особенностей по сравнению с конденсацией в объеме. Существенное влияние на характер конденсации в этом случае оказывает смачиваемость поверхности конденсатом: на смачиваемых поверхностях жидкая фаза выпадает в виде отдельных капель (капельная конденсация), на плотность смачиваемых – в виде пленки (пленочная конденсация). Пленочная конденсация начинается сразу же, как только пар у поверхности охлаждения достигает состояния насыщения; пар, поступающий из объема, конденсируется на поверхности конденсатной пленки. Для капельной конденсации необходимо некоторое пересыщение пара у поверхности охлаждения; пар конденсируется в этом случае у основания зародившихся в ядрах конденсированных капель, т.к. благодаря близости к поверхности охлаждения основание капли имеет более низкую температуру. Ядрами капельной конденсации служат различного рода микронеровности поверхностей охлаждения. Для обеспечения непрерывного процесса конденсации необходимы постоянный приток пара (путем молекулярного или молярного переноса) к поверхности конденсации и отвод от нее тепла фазового перехода (обычно через поверхность теплообмена к охлаждающей жидкости).

Теплообмен при конденсации определяется величиной термического сопротивления отлагающейся на поверхности конденсации жидкой фазы и процессами диффузии из парового объема к поверхности конденсации. При конденсации паров жидкостей с низкой теплопроводностью (число Прандтля Рr≥1) определяющее влияние на теплообмен оказывает термическое сопротивление конденсатной пленки при конденсации паров металлов с высокой теплопроводностью (Pr<<1) – скорость подвода пара к поверхности конденсации. Поэтому при конденсации паров металлов характер конденсации (пленочный, капельный или смешанный) не оказывает существенного влияния на теплоотдачу, но в др. случаях он является решающим для теплообмена. При капельной конденсации интенсивность теплообмена выше, чем при пеленочной, поскольку сплошная пленка конденсата представляет значительное термическое переходу тепла от поверхности конденсации к поверхности охлаждения: коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации чистого водяного пара (при атмосферном давлении) – порядка 6000 – 10000 ккал/(м²´час´град), а при капельной конденсации 40000 – 100000 ккал/(м²´час´град).

Для пленочной конденсации чистого неподвижного пара на вертикальной стенке (при Рr≥1) местный коэффициент теплоотдачи а_л = q/(t_н - t_с) при ламинарном течении пленки под действием собственного веса может быть найден по формуле Нуссельта:

а_л =[γ²Lλ³/4μh(t_н - t_с)]^1/4,                               (1)

где γ – удельный вес конденсата;

L – скрытая теплота порообразования;

λ – теплопроводность;

μ – динамичная вязкость;

h – расстояние от верхней кромки до стенки;

(t_н - t_с) – разность между температурой насыщения и температурой поверхности  теплообмена;

q – местная плотность теплового потока.

Все рассматриваемые физические свойства рассматриваются при t_н. значение а_л при расчете по формуле (1) следует увеличивать на 15%, т.к. в ламинарно движущейся пленке под действием капиллярных сил возникают волны (что не учитывается теорией Нуссельта), приводящие к возрастанию теплоотдачи. На некотором расстоянии h_кр от верхней кромки стенки происходит переход от ламинарного движения пленки к турбулентному. Течение пленки на поверхности высотой Н > h_кр  имеет т.о., смешанный характер: ламинарный в верхней части, турбулентный –  в нижней.

На ламинарном движении пленки уменьшается с увеличением параметра (t_н - t_с)Н, т.к. за счет постоянного притока конденсата толщина пленки в направлении ее движения растет и ее термическое сопротивление увеличивается. При турбулентном движении толщина пленки продолжает увеличиваться с ростом (t_н - t_с)Н, однако турбулентное перемешивание пленки повышает ее эффективную теплопроводность (уменьшает термическое сопротивление); поэтому теплоотдача увеличивается.