10.1 Види конденсації, рівновагу краплі конденсату на поверхні, термічний опір при плівковій конденсації - плівкова і крапельна. Режим течії конденсату в плівці.
Конденсацією називається процес фазового переходу пара в рідке або тверде стан. При конденсації виділяється тепло фазового переходу. Конденсація відбувається при охолодженні або (і) стисненні пара при таких температурах і тисках, коли конденсована фаза стає більш стійкою, ніж газоподібна. Пар конденсується в рідину, якщо температура і тиск більше їх критичних значень для даної речовини. Пар сублімується або в тверду фазу, якщо температура і тиск менше їх критичних значень, що відповідають потрійній точці (рис.1.).
Процес конденсації пари при відведенні тепла і умовах,
Конденсація може відбуватися на охолоджуваної поверхні або в об'ємі.
При конденсації кількість молекул пара, що потрапили в рідину, з пара і залишилися в ній за одиницю часу Nl менше або дорівнює кількості молекул пара потрапили на поверхню рідини Ngl. Деяка кількість молекул Ng з рідини потрапляє в пар. Ставлення величин Nl і Ngl
знаходиться в діапазоні 0K1 і називається коефіцієнтом конденсації. При К = 0 маса конденсату залишається постійною - встановлюється динамічна рівновага.
Конденсація насиченого на твердій поверхні відбувається при температурі поверхні меншою, ніж температура насичення при даному тиску. Перегріта пара охолоджується до ТП = ТН. а потім може конденсуватися.
Якщо конденсат змочує поверхню теплообміну, то на поверхні спочатку утворюється тонка плівка рідини, спостерігаються флуктуації товщини цієї плівки. У міру осадження конденсату, товщина плівки зростає. В поле сил тяжіння плівка розтікається. При безперервному процесі маса стікає рідини заповнюється масою конденсується пара. Освіта на поверхні суцільний стійкої плівки конденсату називається плівковій конденсації. Освіта конденсатной плівки на поверхні створює істотне термічний опір передачі тепла від пара до більш холодної стінці.
При деякій, критично малою, товщині плівки (близько мікрона) на несмачіваемих поверхні плівка розривається на краплі. Краплі утворюються поблизу микронеровностей, неоднорідностей поверхні, де діють сили поверхневого натягу, які прагнуть зменшити поверхню краплі. Вбираючи в себе конденсат, краплі ростуть. Вони можуть скочуватися на похилій поверхні під дією сил тяжіння. Утворюються нові краплі. Такий процес називається крапельної конденсацією. При крапельної конденсації, через відсутність термічного опору суцільний рідкої плівки, тепловіддача може збільшуватися в 5 - 10 разів, у порівнянні з плівковою конденсацією, що необхідно враховувати при теплотехнічному розрахунку конденсаційних апаратів.
Рівновага краплі конденсату на поверхні.
Освіта краплі конденсату на твердій поверхні відбувається при взаємодії сил поверхневого натягу
З умови рівноваги краплі на поверхні слід рівність проекцій сил на вісь r в точці A (ріс.10.3):
звідси крайовий кут змочування:
На несмачіваемих рідиною твердої поверхні S, = 180 о і поблизу поверхні S утворюється тонка плівка адсорбованого газу, при = 0 про газ стикається тільки з рідиною і рівновагу крапель не встановлюється. При 0 про <90 о имеется частичное смачивание, а при 90 о <180 о частичное несмачивание.
Термічний опір при конденсації на поверхні.
Інтенсивність конденсації (видимої) пара в рідина може оцінюватися з уявлень кінетичної теорії для ідеального газу [1,2].
де Тп. Рп - температура пара і тиск насиченої пари при цій температурі. Тпов. Рпов - температура на поверхні конденсату і тиск насичення пари при цій температурі. Rп - газова постійна пара, К - емпіричний коефіцієнт конденсації.
Термічний опір R передачі тепла від пара через плівку конденсату товщиною складається з двох складових:
де
,q, (Вт / м 2) - щільність теплового потоку, , (Вт / м 2 К) - коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки,
Теплота фазового переходу дорівнює:
де r, (Дж / кг) - питома теплота конденсації сухої насиченої пари. Тоді з (4) і (6) отримуємо:
З цих формул випливає, що термічний опір на кордоні фаз залежить від виду і тиску пара, коефіцієнта конденсації і температурних умов. при К <1 возникает разность температур Тп - Тпов (рис.10.4). Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации
,
де
Режими течії конденсату в плівці.
При перебігу конденсату поблизу поверхні в поле сил тяжіння можливі ламінарний, перехідний і турбулентний режими. Перехід від одного режиму до іншого залежить від критерію Рейнольдса:
де
При Re Reкр1 протягом конденсату в плівці покладається ламінарним, в діапазоні Reкр1 Re Reкр2 режим течії перехідний, спостерігається хвильова структура поверхні, «перемещаемость» зон турбулентності і областей ламінарної течії. При Re> Reкр2 протягом турбулентний. Нехтуючи особливостями перехідного режиму, вважають, що перехід з ламінарного режиму до турбулентного, в плівці конденсату, відбувається при числі Re = Reкр. яке знаходиться в діапазоні Reкр = 60-500. При конденсації пари на вертикальній стінці приймають зокрема Reкр 400.
Випадкові обурення потоку призводять до появи хвиль на поверхні конденсатной плівки. Це явище визначається балансом сил поверхневого натягу, в'язкості, інерції і сил тяжкості. Максимальна швидкість спостерігається на вершині хвилі. При малих числах Reкр1ReReволн. що виникають в конденсаті обурення зносяться вниз по потоку і стійкою хвильової структури плівки не утворюється. При ReволнReReкр2 спостерігається стійкий хвильової режим. Для плівки конденсату, що стікає по вертикальній поверхні під дією сили тяжіння, використовують наступну формулу:
Зокрема, при конденсації водяної пари, при температурі Тс = 288 К, Reволн 5.0.
При ретельному усуненні збурень, в експериментах встановлено можливість переходу течії плівки з ламінарного в турбулентний режим, минаючи режим з хвильової структурою поверхні стікає плівки конденсату.
Щільність теплового потоку при стікання плівки конденсату.
Тепловий потік q, (Вт / м 2) при конденсації сухої насиченої пари визначається залежністю (6). На інтенсивність теплообміну при плівковій конденсації впливають швидкість і напрямок руху пара, домішки, тиск насиченої пари, в'язкість і щільність конденсату, форма і розташування поверхні конденсації. Масова витрата конденсату в перерізі x (ріс.10.5) на вертикальній поверхні конденсації:
де
На ділянці [0, x] за одну секунду конденсується G, (кг / с) конденсату і передається теплова потужність:
де
де G = jgl f - масова витрата пара, що конденсується на поверхні f = х ∙ lZ і стікає через перетин δ (х), lZ.
З зіставлень формул (13) і (12) отримуємо
звідки середня швидкість конденсату в перерізі х:
Середня швидкість переміщення пара до стінки з співвідношень (10.10) - (10.13)
Так, наприклад для істотного теплового потоку q = 1.210 3 (кВт / м 2) при конденсації водяної пари в нормальних умовах
Для ділянки стінки конденсату [x, x + dx] зміна витрати
Локальний, відносний до одиниці площі тепловий потік на відрізку [x, x + dx] має вигляд
Вираз (10.19) визначає локальний тепловий потік при конденсації на поверхні при відомому поле швидкості
