Конденсація - процес переходу речовини з пароподібного стану в рідке. Основна особливість процесу - тепло підводиться і відводиться при постійній температурі.
Тепловіддача при конденсації насичених парів є одночасно перенесення теплоти (яка визначається теплотою пароутворення)
і маси (яка визначається кількістю сконденсованого пара).
Молекули пара переносяться до охолоджувальної стінці вихорами турбулентного потоку, конденсуються, і при цьому відбувається різке зменшення його обсягу, таким чином, виникає власне поступальний рух до стінки. Утворився конденсат стікає
по стінці, а до стінки підходить свіжий пар. Перенесення теплоти і основної маси пара до стінки йде настільки швидко, що ступінь турбулізації потоку
не робить істотного впливу на процес і не враховується в розрахунках.
На добре змочуваних поверхнях виникає рідка плівка конденсату, на не змочується (погано змочується) поверхні утворюються краплі і струменя. При крапельної конденсації коефіцієнт тепловіддачі в кілька разів вище, ніж при плівковій конденсації. Однак організація крапельної конденсації дорожче плівковою. Тому
на практиці використовується плівкова конденсація. В процесі тепловіддачі від пара до стінки можна виділити три стадії, кожна з яких має власний опором:
- підведення тепла і речовини від пара до стінки;
- власне процес конденсації;
- перенесення тепла через плівку рідкого конденсату.
Перша стадія здійснюється за рахунок конвективного механізму, обумовленого градієнтом тиску, що виникають при переході пара
в рідину, тобто великою швидкістю. Опір другої стадії також невелика.
При плівковою конденсації пари термічний опір зосереджено в основному в плівці конденсату. Термічний опір плівки визначається механізмом перенесення теплоти, що залежать від режиму течії конденсату.
Розглянемо найпростіший випадок плівковою конденсації чистого насиченого нерухомого пара на плоскій вертикальній поверхні x - y. Початок координат сумісний з точкою початку процесу конденсації (рис. 1.11).
Мал. 1.11. Схема конденсації пари
У міру стікання плівки конденсату вниз під дією сили тяжіння товщина її буде збільшуватися внаслідок збільшення кількості конденсованого пара. Отже, виникає завдання ламінарної течії в'язкої рідини по вертикальній стінці. Конвективне рівняння теплообміну для цього випадку буде мати такий же вигляд, що і рівняння термічного прикордонного шару на початковій ділянці плоского шару (24).
Однак спростимо задачу.
Мала товщина плівки конденсату дозволяє вважати температурний профіль в шарі лінійним. Це означає, що кількість переданої теплоти через шар конденсату можна трактувати як кондуктивний теплоперенос через плоску рідку перешкоду.
Інтегрування рівняння (58) з урахуванням граничних умов дає
Як відомо тепловий потік на кордоні фаз визначається як
З (60) отримаємо
Завдання визначення товщини плівки вирішена використовуючи балансові співвідношення. Спочатку визначається середня швидкість. далі витрата конденсату (вона по висоті H змінна), далі визначається d і a.
Локальне значення коефіцієнта тепловіддачі a отримано у вигляді
осредненное по висоті Н значення
Тут r - теплота конденсації.
Як видно з (61), локальний коефіцієнт тепловіддачі зменшується в міру стікання плівки конденсату внаслідок збільшення її товщини.
Залежність типу (62) може бути отримана так само обробкою експериментальних даних по теорії подібності на основі критеріального рівняння виду
тут
Для ламінарного режиму отримано
для вертикальної стінки A = 0,94, горизонтальної труби A = 0,72.
Для турбулентного потоку
Всі фізичні константи визначаються при середній температурі процесу.
Формули (64) і (65) отримані для нерухомого пара.
У загальному випадку Тепловіддача при конденсації пари залежить від швидкості і напрямку течії пари, від стану поверхні конденсації, від складу парів і їх перегріву.
Відомо, що a збільшується, якщо потік зменшує d і навпаки. Шорсткість збільшує d і зменшує a.
Конденсація парових сумішей. При конденсації парової суміші
її склад змінюється, що викликає зміна температури конденсації, що дорівнює, в кінцевому рахунку, температурі конденсації самого низькокиплячого компонента суміші. Таким чином, процес конденсації парової суміші протікає при змінної різниці температур, значення якої залежить
не тільки від фізико-хімічних властивостей суміші, а й від структури потоку охолоджуючої рідини і парової суміші.
Інертні гази скупчуються біля поверхні плівки конденсату, виникає додаткове термічний опір.