Главная Процесс переноса теплоты



Часть третья

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ

Глава двенадцатая

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ЧИСТОГО ПАРА 12-1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Конденсация представляет собой процесс перехода пара (газа) в жидкое или твердое состояние (фазовый переход первого рода).

Конденсация пара часто встречается на практике. В конденсаторах паровых турбин пар конденсируется на охлаждаемых трубах; конденсация пара осуществляется в опреснительных установках и многочисленных теплообмепных аппаратах.

Выделение при фазовом превращении теплоты неразрывно связывает процесс конденсации пара с теплообменом.

Процесс конденсации возможен только при докрнтических состояниях газа (пара) и может быть осуществлен путем его охлаждения или Б результате такого сжатия, чтобы при достигнутых значениях температуры и давления конденсированная фаза была термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом температура и давление больше их значений, соответствующих тройной точке для данного вещества, то образуется жидкая конденсированная фаза, если меньше - пар переходит в твердое состояние.

Конденсация может происходить к в объеме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена. В первом случае образование конденсированной фазы может происходить самопроизвольно при значительном переохлаждении пара относительно температуры насыщения и на холодных жидких или твердых частицах, вводимых в пар.

В энергетике, во многих других областях техники и промышленности чаще приходится иметь дело с конденсацией пара в жидкое состояние на охлаждаемых поверхностях теплообмена. Эта задача прежде всего и будет рассмотрена в данной главе. Прн этом будем полагать, что конденсирующийся пар не содержит примесей других паров или газов, т. е. является чистым.

Конденсация насыщенного или перегретого пара на твердой поверхности теплообмена происходит, если температура поверхности меньше температуры насыщения при данном давлении. На поверхности может образоваться пленка конденсата с толщиной, намного превышающей расстояние эффективного действия межмолекулярных сил. В ряде случаев поверхность тела может быть покрыта отдельными каплями конденсата.

Первый вид конденсации, когда жидкая конденсированная фаза образуется па поверхности теплообмена в виде устойчивой пленки, называется пленочной конденсацией, а второй - когда происходит



образование капель - капельной. Пленочная конденсация имеет место, если конденсат смачивает данную поверхность теплообмена. Если же конденсат не смачивает поверхность, то происходит капельная конденсация.

Смачиваемость обычно характеризуют краевым углом 9, образованным поверхностью жидкости и поверхностью твердого тела, граничащих с некоторой третьей средой - в данном случае с паром (рис. 12-1).

В предположении, что актуальны только капиллярные силы, состояние равновесия капли определяется уравнением

Ос, г= Оо, ж -4- Ож, г cos 1

(12-1)

.ЛКидкогть



Рис 12 I К определепию краевого угла

Если ас,г>ас,ш, т. е. если поверхностное натяжение между газом и стенкой больше, чем между твердым телом и жидкостью, краевой угол е<90°; в этом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность. При ас,г<ас,1к краевой угол е>90°, жидкость не смачивает стенку. Абсолютные смачиваемость и несмачиваемость характеризуются соответственно краевыми углами 6 = 0 и е= = 180°.

Реально проявляются промежуточные случаи частичного смачивания (е< <90°) или частичного не-смачивання (е>90°).

При установившейся работе конденсационных устройств вода, как правило, смачивает поверхности теплообмена, и происходит пленочная конденсация. Капельная конденсация наблюдается при пуске теплообменного аппарата, когда на поверхностях стенок имеются различные, в том числе и масляные, загрязнения, при конденсации ртутного пара и в некоторых других случаях.

Капельная конденсация может быть вызвана с помощью специальных веществ, называемых лиофобизаторами (при конденсации водяного пара - гидрофобизаторами). Эти вещества наносятся на поверхность теплообмена илн вводятся в пар.

При капельной конденсации водяного пара теплоотдача может быть во много раз больше, чем при пленочной. Это объясняется тем, что пленка конденсата является большим термическим сопротивлением передаче тепла фазового перехода от поверхности конденсацни к стенке. Прн капельной конденсации в силу разрыва пленки это-сопротивление гораздо меньше.

В общем случае помимо термического сопротивления конденсата можно выделить дополнительное сопротивление.

Будем полагать в дальнейших рассуждениях, что поверхность конденсации плоская (илн достаточно близкая к плоской) н толщина слоя

* В общем случае краевой угол определяется ие только капиллярными, ио и дру-гтАА силами, приложенными к капле Например, силой тяжести, динамическим напором движущегося газа и т п



конденсата, находящегося на стенке, намного больще радиуса действия межмолекулярных сил (рис. 12-2).

Термическое сопротивление передаче теплоты от пара к стенке можно представить в виде суммы двух слагаемых:

= к + /?ф.

(12-2)

где н 0 - соответственно температуры пара и поверхности стенки, q - плотность теплового потока; и-коэффициент теплоотдачи от пара к стенке.

В уравнении (12-2) первое слагаемое Rk представляет собой термическое сопротивление пленки конденсата. Второе слагаемое Лф, которое назовем термическим сопротивлением на границе раздела фаз (межфазным термическим сопротивлением), не является термическим сопротивлением в его обычном понимании. Появление этого сопротивления обусловлено скачком температуры на границе раздела паровой и жидкой фаз.

Рассмотрим физическую природу скачка температур. Видимая конденсация является результирующим эффектом процессов конденсации совокупности молекул, ударяющихся о поверхпость жидкости и захватываемых ею (конденсирующихся) и испарения молекул, отрывающихся за то же время с той же поверхности. Превыщение количества захватываемых молекул над количеством испускаемых и приводит к видимому процессу конденсации. Не все молекулы, достигаюп ие поверхности жидкости, могут быть захвачены ею. Часть молекул может отразиться от поверхности и возвратиться в пар. Энергия отраженных молекул в общем случае может быть меньще энергии падающих (см. § 11-5).

В результате в поверхностном слое пара толщиной порядка средней длины свободного пробега движутся два неравных потока молекул, имеющих различную температуру (энергию). Такой слон называется кнудсе и овским- Температура пара в этог.кслое в среднем отличается от температуры поверхности жидкости. Перепад температур в столь тонком слое в теории сплошных сред воспринимается как скачок. За пределами кнудсеновского слоя из-за соударений молекул температура выравнивается.

Чем больше молекул, падающих на жидкость, отражается, не конденсируясь, тем больше скачок температуры. Это учитывается коэффициентом конденсации. Коэффициент конденсации представляет собой отношение числа захватываемых молекул к общему числу молекул пара, ударяющихся о поверхность конденсата. В общем случае коэффициент конденсации может изменяться от нуля до единицы.

Поток пара, проходящий через кнудсеновский слой к поверхности жидкости, будет равен рпёда, от жидкости в пар - рповСдаов; здесь Су - нормальная к поверхности жидкости составляющая средней скорости молекул. Результирующий поток, отнесенный к единице поверхности, будет /= (рпСуп-Рповёгпов), кг/(м2-с).


Рис. 12-2. Характер распределения температуры при пленочной коидеиса-ции чистого насыщенного пара.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 [87] 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.011