При пленочной конденсации водяных паров

I. Основные теоретические положения о теплообмене

при пленочной конденсации

При работе паровых энергетических и холодильных установок, в аппаратах кондиционирования воздуха и системах терморегулирования космических кораблей и т.п. постоянный уровень температуры для отвода или подвода теплоты часто достигается при конденсации паров рабочего тела – воды, фреонов, металлических, органических и других теплоносителей. Процесс конденсации занимает также важное место в химико-технологических производствах, например, в нефтехимии.

Движущей силой рассматриваемого процесса является разность парциальных давлений паров конденсирующейся жидкости над теплообменной поверхностью и на достаточном удалении от нее. Последнее достигается охлаждением упомянутой поверхности до температуры При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru более низкой, чем температура насыщения паров При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , находящихся в объеме теплообменного аппарата, называемого конденсатором. Заметим сразу, что теплообменные поверхности в конденсаторах составляются из размещенных внутри цилиндрического кожуха труб или пластинчатых каналов, внутри которых движется охлаждающая среда – воздух, вода и т.д.

При отсутствии жировых или масляных пятен конденсация паров на большинстве технических поверхностей происходит в каждой точке и называется пленочной. Процесс пленочной конденсации представляется как диффузия молекул паров из парового пространства к стекающей по охлаждаемой поверхности пленке конденсата с последующей отдачей теплоты фазового превращения через толщу пленки конденсата к охлаждаемой стенке.

При отсутствии в паровом объеме конденсатора примесей неконденсирующихся газов сопротивление диффузии паров к стекающей пленке конденсата пренебрежимо мало и термическое сопротивление процессу конденсации практически определяется теплофизическими свойствами и характером течения пленки (ламинарным, переходным или турбулентным), а также взаимодействием ее с поступающим в конденсатор паром, скорость которого может быть весьма значительной.

Задача об определении интенсивности теплообмена при пленочной конденсации была впервые решена В. Нуссельтом в 1916 г. Он рассматривал процесс конденсации неподвижного пара на вертикальной охлаждаемой пластине шириной При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru (рис. 16.1) в упрощающих предпосылках о том, что пленка конденсата движется ламинарно, безынерционно и безградиентно.

Тогда процесс течения пленки таков, что гравитационная сила, действующая на выделенную часть пленки высотой dy уравновешивается силой трения ее о стенку, т.е.

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , (16.1)

где ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; δ – толщина плёнки; При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru - касательное напряжение трения на стенке.

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru   Рис. 16.1. Схема процесса конденса-ции пара на вертикальной пластине   Приращение dm массы стекающей жидкости на высоте пластины определяет движение пленки конденсата и обуслов-лено конденсацией пара на каждом выделенном элементе dy:   При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , (16.2)   где При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru - количество теплоты, выделенное при конденсации; r – теплота фазового превращения.

С другой стороны, величина dm может быть определена дифференцированием выражения для массы конденсата m, проходящей через сечение, отстоящее на расстояние y от верхнего края пластины:

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru . (16.3)

Неизвестная средняя скорость движения жидкости При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru в рассматриваемом сечении легко вычисляется при совместном рассмотрении системы уравнений, состоящей из динамического уравнения (16.1) и приводимых ниже уравнения (16.4) параболической формы профиля скоростей для ламинарного течения и уравнения (16.5) закона Ньютона для касательного напряжения трения При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru :

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , ( При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru )

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , (16.4)

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru . (16.5)

В самом деле, вычисляя При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru через (16.1) как При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru и через (16.5) путем предварительного определения на стенке градиента скорости пленки При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru дифференцированием уравнения профиля скоростей (16.4) в точке x = 0 как При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , получаем тождество:

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru или При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru . (16.6)

В уравнениях (16.4) и (16.5) дополнительно обозначены При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru – скорость жидкости в точке, отстоящей в рассматриваемом сечении на расстоянии x от стенки; При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru - максимальное значение скорости в том же сечении; При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru – динамическая вязкость жидкости.

При параболическом профиле скоростей средняя скорость жидкости При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru составляет 2/3 от ее максимального значения

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru (16.7)

и масса конденсата m, проходящего через рассматриваемое сечение, определяется как

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru , (16.8)

тогда приращение массы конденсата dm на высоте пластины dy равно:

При пленочной конденсации водяных паров - student2.ru . (16.9)

Наши рекомендации