Этот вид теплоотдачи протекает при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Особенность этого процесса состоит прежде всего в том, что тепло подводится или отводится при постоянной температуре. Теплоотдача при конденсации насыщенных паров представляет собой сложное явление одновременного переноса массы
Конденсация насыщенного пара на охлаждаемой поверхности приводит к значительной интенсификации теплообмена по сравнению, например, с теплообменом от газа к стенке. При этом механизм конвекции совершенно иной. Молекулы пара не только переносятся к охлаждаемой стенке вихрями турбулентного потока, но и создают еще и собственное поступательное движение к стенке, так как в непосредственном соседстве с ней происходят конденсация пара и резкое уменьшение его объема. Образовавшийся конденсат стекает по стенке, а к стенке подходит свежий пар. Чем холоднее стенка, тем интенсивнее идут конденсация и движение молекул пара к стенке. Перенос теплоты и основной массы пара к стенке идет настолько быстро, что степень турбулизации потока не оказывает существенного влияния на процесс и часто может не учитываться в расчетах.
На хорошо смачиваемых поверхностях капли конденсата, сливаясь друг с другом, образуют жидкую пленку, которая под действием силы тяжести стекает вниз. Такую конденсацию пара называют пленочной. На не смачиваемой или плохо смачиваемой поверхности капли конденсата быстро стекают («скатываются») по поверхности стенки, не образуя пленки. Такой вид конденсации называют капельной. Капельная конденсация на практике реализуется редко, несмотря на то, что коэффициенты теплоотдачи. В этом случае в несколько раз выше коэффициентов теплоотдачи при пленочной конденсации. Последнее объясняется тем, что и при пленочной конденсации коэффициенты теплоотдачи достаточно высоки, и поэтому стадия переноса теплоты при пленочной конденсации обычно не, является лимитирующей в общем процессе теплопереноса, в то время как создание не смачиваемой (гидрофобной) поверхности в теплообменнике (для создания условий капельной конденсации) приводит к удорожанию процесса. Поэтому в теплообменных аппаратах обычно конденсация паров происходит по пленочному механизму.При пленочной конденсации на стенке вследствие разности температур (tп — tст) образуется пленка конденсата, которая постепенно увеличивается по мере стекания. При этом увеличивается и термическое сопротивление пленки.
При ламинарном режиме движения стекающей пленки конденсата количество dQ теплоты, проходящее через элементарную площадку dF этой пленки, определяется по формуле Q=λ(tп- tсm )dF/δ ,где λ и δ - соответственно теплопроводность и толщина пленки конденсата.
Это же количество теплоты можно выразить с помощью уравнения теплоотдачи:
dQ= α (tп- tст )dF
Тогда из уравнений получим коэффициент теплоотдачи а: α = λ/ δ
Толщина пленки δ зависит от высоты Н стенки, по которой стекает пленка конденсата, и от физических свойств конденсата.
уравнение для определения толщины пленки жидкости, стекающей по вертикальной стенке:
где Г = ωSр/П, кг/(м·с)-линейная плотность орошения; ω-средняя скорость движения пленки; S-площадь сечения пленки; П-периметр поверхности, по которой стекает пленка.
На элементе высоты пленки dH толщина пленки увеличивается на d δ, что приводит к увеличению Г на dГ. Из уравнения
Г = ρ2 g δ3 /3μ Тогда
Г = ρ2 g δ2d δ/dμ
Количество теплоты, отданное пленке паром в количестве dГ, определяется по формуле dQ=dГ. Это же количество теплоты проходит через слой пленки конденсата толщиной δ и высотой dН:
dQ= λ/ δ (tп- tсm )dH=rqГ=r ρ2 g δ2d δ/ μ Полагая, что tСТ = соnst (т.е. физические свойства пленки остаются постоянными на высоте) и ось z направлена вниз, интегрируем уравнение в пределах от 0 до δ и от 0 до Н, предварительно разделив переменные:
Тогда локальный коэффициент теплопередачи
Средний по высоте Н коэффициент теплоотдачи α получим из урвюнения
ИЛИ Согласно экспериментальным результатам, значение численного множителя в уравнении несколько выше и равно 1,13. Увеличение коэффициента теплоотдачи может быть объяснено действием поверхностного натяжения жидкой фазы, которое совместно с силами инерции приводит к появлению на наружной поверхности пленки волнообразного течения.
При конденсации пара на поверхности горизонтальной трубы значение числового множителя в уравнении равно 0,726, и вместо величины Н следует подставить наружный диаметр трубы. В случае конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтальных труб слой конденсата на нижерасположенных трубах увеличивается, и, следовательно, коэффициент теплоотдачи при этом должен уменьшаться. При приближенных расчетах можно принять, что средний для всего пучка трубок коэффициент теплоотдачи αср =εα [где α- коэффициент теплоотдачи, определяемый по уравнению (11.58) с коэффициентом 0,726; ε = 0,7 при n ≤100 и е = 0,6 при n> 100; n-число трубок в пучке]. При конденсации пара на наклонной поверхности коэффициент теплоотдачи, полученный по уравнению (11.58), следует умножить на величину (sinφ)0..25 где φ -угол наклона поверхности конденсации к горизонту.
Зависимость (11.58) можно получить также обработкой экспериментальных данных с использованием методов теории подобия на основе критериального уравнения
Nu=f(Ga.Pr.K) где К - критерий конденсации; r-теплота парообразования.
Критерий конденсации (или фазового превращения) представляет собой отношение теплоты фазового перехода r к теплоте охлаждения конденсата от температуры насыщения до температуры поверхности.
Все физические константы в уравнении (11.58) относятся к конденсату при его средней температуре 0,5 (tп + tст). Величиной Δt= tп —tст в уравнении (11.58) задаются (обычно в пределах 3-8 К), а затем, после определения а, проверяют ее методом последовательных приближений.
Наличие в паре даже небольших количеств неконденсирующихся газов приводит к значительному снижению коэффициента теплоотдачи. Например, при содержании в водяном паре всего 2% воздуха коэффициент теплоотдачи падает почти в 3 раза. Это вызвано образованием у поверхности конденсата дополнительного термического сопротивления переносу теплоты и массы к поверхности конденсации. Поэтому в теплообменных аппаратах, в которых в качестве горячего теплоносителя используют насыщенный водяной пар, предусматривается периодическое удаление не сконденсировавшегося воздуха
В случае конденсации смеси паров расчет коэффициентов теплоотдачи проводится по тем же уравнениям, что и при конденсации индивидуального пара, но, естественно, с учетом физических свойств образовавшегося конденсата (раствора) смеси компонентов