Раздел 2
ПОЗОННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПЛАСТИНЧАТЫХ ПАРОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
2.1. Основные факторы, влияющие на процесс конденсации
Процесс конденсации представляет собой переход пара в жидкое состояние - воду и сопровождается выделением тепла фазового перехода. Процесс конденсации непосредственно связан с процессами теплообмена и применяется практически во многих областях промышленной технологии. Обычно под паром понимают сухой насыщенный пар. Это вода, которая была полностью преобразована в пар и не содержит ни капли жидкой воды. На практике пар всегда содержит некоторое количество воды в виде мельчайших капель, и, следовательно, не является полностью сухим насыщенным паром. Насыщенный пар конденсируется на любой поверхности с температурой ниже температуры насыщения, отдавая тепло парообразования. Перегретый пар отдает часть тепла в начале за счет падения температуры. При этом конденсат не появляется до тех пор, пока температура пара не понизится до температуры насыщения. Интенсивность передачи энергии от перегретого пара ниже, чем интенсивность при теплоотдаче насыщенного пара, даже если его температура выше.
В зависимости от способности жидкой фазы смачивать твердую поверхность стенки разделяют пленочную и капельную конденсацию. Пленочная конденсация возникает в том случае, когда жидкость хорошо смачивает твердую стенку (краевой угол смачивания < 90?). Тогда конденсат, который образуется из пара, создает на поверхности теплообмена пленку, которая разделяет пар и стенку. Если смачивание жидкости неэффективно (краевой угол смачивания > 90?) возникает капельная конденсация. В этом случае конденсат из пара собирается на твердой стенке в виде отдельных капель, а в промежутках пар непосредственно контактирует с твердой стенкой. В последнем случае интенсивность теплоотдачи значительно выше, чем пленочной, вследствие меньшего термического сопротивления. Однако наиболее распространена пленочная конденсация.
Переход вещества из парообразного состояния в жидкое состояние традиционно представляют в виде следующих отдельных процессов:
* подвод пара к поверхности раздела фаз путем конвекции или диффузии;
* процесс фазового перехода, заключающийся в соударении молекул пара с твердой поверхностью или поверхностью жидкости в виде пленки или капли;
* перенос теплоты конденсации через пленку к поверхности теплообмена;
* отвод конденсата (жидкости) с поверхности.
Первое явление характеризуется скоростью движения пара, нормальной к поверхности конденсации. Эта скорость определяется через связь плотности теплового потока - и плотности потока массы - [62]. При соударении молекул пара с поверхностью часть молекул захватывается, а часть упруго отражается. Доля молекул, захваченных поверхностью, по отношению к общему числу молекул, соударяющихся с поверхностью раздела, называется коэффициентом конденсации - . Картина распределения температур у поверхности теплообмена при пленочной конденсации насыщенного пара представлена на рис. 2.1. В общем случае зависимость коэффициента конденсации от давления пара носит нелинейный характер. Температура пара у поверхности конденсации выше температуры самой поверхности (рис.2.1) из-за того, что отраженные молекулы имеют в среднем более высокую энергию, чем захваченные молекулы. В то же время температура пара у поверхности ниже температуры пара на удалении , из-за конвективного переноса тепла из объема пара к поверхности конденсации.
Рис. 2.1. Распределение температур у поверхности при пленочной конденсации насыщенного пара: ,
где - средняя длина свободного пробега молекул в перегретом паре;
- температура и плотность пара у поверхности конденсации;
- температура и плотность поверхности конденсации;
- температура пара на удалении;
- температура стенки.
Величина , представляет собой термическое сопротивление фазового перехода. Тепло, выделяющееся на границе раздела фаз, передается стенке. При пленочной конденсации термическое сопротивление пленки конденсата зависит от характера движения пленки. При ламинарном течении определяется теплопроводностью жидкости. При турбулентном течении большую роль играет турбулентный перенос тепла. Волновой характер движения приводит к постоянному изменению распределения скоростей и толщины, и значит к постоянному изменению термического сопротивления.
Наиболее существенную роль играет скорость движения пара [63, 64]. Это приводит к различию интенсивности теплообмена пара при различных скоростях. Фактически внутри каналов при конденсации сильно меняется средняя скорость пара по длине, что и обусловливает различные режимы течения пара и конденсата. Кроме того, при больших разностях температур в пленке ее физические свойства по ее сечению неодинаковы, что еще более усложняет задачу определения термического сопротивления пленки.
Термическое сопротивление теплообмену при капельной конденсации значительно меньше, чем при пленочной. Это объясняется, во-первых, тем, что капли имеют большую поверхность контакта с паром, и, во-вторых, движением образующейся на поверхности микропленки конденсата, которая стягивается в капли.
На термическое сопротивление теплообмену при капельной конденсации оказывает влияние доля поверхности, занятой каплями, термическое сопротивление фазового перехода и термическое сопротивление капель. Сложность процесса теплоотдачи в этом случае связана с нестационарностью процесса и с тем, что задача является сопряженной, т.е. приходится учитывать распространение тепла под каплями. Температурный график при противотоке представлен на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Изменение температур теплоносителей по длине ПТА при конденсации
Движение пара оказывает динамическое воздействие на границу раздела фаз, ускоряя или замедляя течение пленки. Если пар течет вниз, то скорость пленки увеличивается, толщина ее уменьшается, и интенсивность теплообмена возрастает. При потоке пара вверх пленка конденсата тормозится, толщина ее увеличивается, возникает волновой режим, и к